最近被朋友們老是問到一些嵌入式的問題，很多是技術(shù)底層細(xì)節(jié)的問題，很不好回答，因?yàn)樯婕暗郊夹g(shù)，要么不寫，要寫就要長篇大論，太費(fèi)精力，也不太適合在網(wǎng)上上討論。

想了一下，干脆這樣，我將在博客上不定期、部分公布我的《0bug-C/C++商用工程之道》一書中的章節(jié)段落，有興趣的朋友可以看看。

其實(shí)回過頭再看這本書，感覺這一年多做數(shù)據(jù)庫，對于書中很多技術(shù)又有了不少新的看法，在公布的過程中，我也會(huì)將自己新的一些觀點(diǎn)補(bǔ)充一下，也歡迎有興趣的朋友，針對技術(shù)觀點(diǎn)，發(fā)郵件討論。

我的QQ是712123，常用的郵箱是tonyxiaohome@hotmail.com

在考量這個(gè)分享內(nèi)容的時(shí)候，我想首先從內(nèi)存討論開始吧，因?yàn)槲矣X得作為C語言程序員，無論是在哪個(gè)平臺(tái)開發(fā)，對于內(nèi)存的掌控是必須的，可以說是重中之重的技術(shù)。

一切從內(nèi)存開始！

所以我挑選了一下，從第七章《內(nèi)存及資源管理》開始分享。

C語言是公認(rèn)的一門中低級語言，主要的原因就是其提供了類似于匯編語言的指針調(diào)用，將編譯器和操作系統(tǒng)內(nèi)部的很多核心機(jī)密，向應(yīng)用程序公開，使我們的程序，可以自由地使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請，指針管理等操作系統(tǒng)級的功能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的程序能力。

這實(shí)際上是把操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理，向程序員做了公開，程序員可以站在系統(tǒng)的角度，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的內(nèi)存資源調(diào)度，這給C和C++程序員帶來了莫大的方便性，獲得了強(qiáng)大的控制能力，但同時(shí)，也給C和C++程序帶來了天生的安全隱患。

因此，作為一個(gè)商業(yè)化的C和C++程序員，首先就需要熟練掌握對內(nèi)存，以及各種系統(tǒng)資源的操作能力，能做到不泄露、不溢出、安全使用。這對程序員的綜合實(shí)力，提出了較高的要求。筆者在本章，將為大家展示對系統(tǒng)內(nèi)存，以及各個(gè)系統(tǒng)資源實(shí)施管控的綜合技巧和原則。

7.1? 內(nèi)存管理的基本要求

其實(shí)很多高級語言，如Java、Python，都有自己的內(nèi)存管理器，應(yīng)用程序一般盡管使用變量即可，程序員很少關(guān)心變量失效之后的摧毀問題，更無需關(guān)心內(nèi)存的優(yōu)化使用，減少內(nèi)存碎片等細(xì)節(jié)。

不過，C和C++語言，把系統(tǒng)內(nèi)存直接暴露給程序員使用，看似提升了靈活性和方便性，但同時(shí)，也放棄了更高級的內(nèi)存管控機(jī)制，這對程序員提出了很高的理論和實(shí)戰(zhàn)能力的要求，稍有不慎，即會(huì)出現(xiàn)bug。

筆者經(jīng)過多年的分析，認(rèn)為如果要徹底杜絕內(nèi)存相關(guān)的bug，實(shí)現(xiàn)C和C++語言無錯(cuò)化程序設(shè)計(jì)，程序員有必要在C和C++提供的基本內(nèi)存操作的基礎(chǔ)上，自行構(gòu)建一個(gè)更加合理的內(nèi)存管理機(jī)，幫助程序員實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的安全、高效訪問。

這個(gè)內(nèi)存管理機(jī)，筆者稱之為“內(nèi)存池”，本小節(jié)即試圖論述其基本的設(shè)計(jì)需求以及解決方案。

7.1.1? 不泄露

由于C和C++語言中，內(nèi)存的申請和釋放，一定是二元?jiǎng)幼?#xff0c;需要程序員顯式地調(diào)用相關(guān)函數(shù)，對稱地完成內(nèi)存操作，才能保證不泄露內(nèi)存。

這對很多情況下的程序開發(fā)，提出了較高的要求，筆者前文花了大量的篇幅，向大家介紹二元?jiǎng)幼鞑僮鞯某Ｒ娛址?#xff0c;以期避免內(nèi)存泄漏等bug。

不過，這些動(dòng)作一般都是程序員的行為，我們知道，程序員是人，是人就有可能犯錯(cuò)誤，純粹的手工操作規(guī)范，并不足以杜絕內(nèi)存bug的產(chǎn)生。

于是筆者就設(shè)想，如果在C和C++傳統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制之外，我們自行構(gòu)建一種內(nèi)存的管理機(jī)制，能在程序員忘了釋放內(nèi)存時(shí)，主動(dòng)替其釋放，則可望大大減少內(nèi)存相關(guān)的bug。因此，內(nèi)存池的第一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，是主動(dòng)替程序員完善二元?jiǎng)幼?#xff0c;確保“不泄露內(nèi)存”。

針對這個(gè)問題，筆者通常的解決方案是內(nèi)部建立一套登記機(jī)制，記錄所有在用的內(nèi)存塊，當(dāng)程序退出時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)還有內(nèi)存塊在內(nèi)存池中處于激活狀態(tài)，即表示有內(nèi)存塊忘了釋放，內(nèi)存池會(huì)幫助程序員釋放內(nèi)存，避免產(chǎn)生內(nèi)存泄漏。

7.1.2? 不產(chǎn)生碎片

前文我們已經(jīng)說過，對于7*24小時(shí)運(yùn)行的服務(wù)器和嵌入式設(shè)備，其對內(nèi)存的管理要求很高，僅僅不泄露內(nèi)存是不夠的，還必須保證無內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，確保內(nèi)存池可以長期有效地提供服務(wù)。

從前文我們知道，內(nèi)存碎片的根源，在于一個(gè)程序，無序地申請任意大小的內(nèi)存，最后導(dǎo)致系統(tǒng)堆上的內(nèi)存不連貫，雖然從統(tǒng)計(jì)上得知，還有足夠的內(nèi)存空間，但這是由小塊的內(nèi)存區(qū)域組成，沒有足夠的，整塊的大型空間，使后續(xù)的大塊內(nèi)存申請無法成功，導(dǎo)致服務(wù)無法繼續(xù)。

這個(gè)問題比較難解決，很多解釋型高級語言，可以在運(yùn)行前，主動(dòng)分析程序，對大型的內(nèi)存申請實(shí)行預(yù)分配制度，但是，在C和C++里面，由于是編譯執(zhí)行，動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請又過于靈活，很多內(nèi)存塊的尺寸取決與中間計(jì)算結(jié)果，因此，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)分配，內(nèi)存的申請和釋放動(dòng)作完全依賴應(yīng)用程序自己的設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控。

筆者經(jīng)過思考，總結(jié)了如下幾條推論，以此來試圖控制內(nèi)存碎片的產(chǎn)生：

1、一個(gè)應(yīng)用程序，總的來說，其使用的所有內(nèi)存，不會(huì)超過其目標(biāo)運(yùn)行平臺(tái)的基本內(nèi)存空間，這很好理解，每個(gè)程序員做程序，總是能預(yù)估自己的程序，需要多大內(nèi)存，因此，在產(chǎn)品說明書上，會(huì)提示用戶準(zhǔn)備足夠內(nèi)存的計(jì)算機(jī)。 2、由上可知，我們在動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊可以重用的前提下，可以利用一套機(jī)制，屏蔽內(nèi)存區(qū)的動(dòng)態(tài)釋放工作，即所有的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，一旦申請，在本次運(yùn)行期不再釋放，這并不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存溢出。 3、動(dòng)態(tài)內(nèi)存塊可以重用，需要保證兩點(diǎn)，首先是有一套管理機(jī)制，可以記錄申請和釋放的所有內(nèi)存塊，把釋放的內(nèi)存塊二次提供給新的內(nèi)存申請使用，其次，必須對內(nèi)存塊取模，減小內(nèi)存塊的種類，提高內(nèi)存塊的可重用性。關(guān)于取模的原則和方法，我們后文討論。

這樣的話，如果按照上述機(jī)制來設(shè)計(jì)內(nèi)存池，雖然我們應(yīng)用程序在運(yùn)行過程中，存在大量的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請，但就該程序運(yùn)行期總的需求來說，使用的最大內(nèi)存數(shù)并沒有多大變化，在操作系統(tǒng)看來，這個(gè)程序從一開始，申請了差不多的內(nèi)存之后，就不再申請，全部是內(nèi)部重用，自然也就沒有內(nèi)存碎片的產(chǎn)生了。

提示：如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存太小，這種機(jī)制導(dǎo)致內(nèi)存溢出了，那是說明應(yīng)用程序?qū)ψ约菏褂玫淖畲髢?nèi)存沒有估計(jì)準(zhǔn)確，用戶使用的計(jì)算機(jī)太低檔，正確的解法不是改程序，而是請用戶加大內(nèi)存，或者干脆換更高檔的計(jì)算機(jī)設(shè)備。

7.1.3? 可以自動(dòng)報(bào)警

在解決“不泄露”的問題時(shí)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)存管理鏈表，在設(shè)計(jì)該鏈表的時(shí)候，筆者突發(fā)奇想，由于內(nèi)存池已經(jīng)收攏了所有的內(nèi)存申請和釋放行為，那么，我們自然可以很輕易地知道是哪個(gè)模塊在申請內(nèi)存，為什么不把這個(gè)信息記錄下來，幫助Debug呢？

我們知道，內(nèi)存泄漏問題之所以難以解決，并不是這個(gè)問題有多復(fù)雜，而是由于內(nèi)存申請和釋放，是程序行為，我們只有在最后的程序運(yùn)行中，隱約觀察到內(nèi)存使用在不斷增長，由此推論可能程序有內(nèi)存泄漏，但這種觀察很不直觀，無法幫助程序員精確查找是哪個(gè)模塊發(fā)生了內(nèi)存泄漏。

但如果我們設(shè)計(jì)內(nèi)存池時(shí)，要求申請內(nèi)存的模塊，必須注明自己的模塊名，在退出時(shí)，一旦檢測出哪個(gè)模塊忘了釋放內(nèi)存，馬上將其申請信息打印出來，不就可以幫助程序員很方便地檢查出發(fā)生內(nèi)存泄漏的模塊嗎？順便，也就能在開發(fā)期快速解決掉所有的內(nèi)存泄漏，徹底杜絕這類bug。

經(jīng)過思考，筆者的內(nèi)存池所有的內(nèi)存申請動(dòng)作，全部改為如下格式：

MemPool.Malloc(int nSize,char* szInfo);

?

這明顯有別于C語言原有的內(nèi)存申請函數(shù)：

malloc(int nSize);

?

這里的szInfo，是筆者規(guī)定的124Bytes的說明性文字，強(qiáng)迫所有申請內(nèi)存的模塊，必須在其中聲明自身的身份，一旦發(fā)生泄漏，任何一次運(yùn)行完畢，內(nèi)存池析構(gòu)時(shí)，立即會(huì)打印出相關(guān)的信息，程序員即可實(shí)現(xiàn)快速查找。

經(jīng)過試用，這樣的效果非常明顯，任何一段程序，只要忘了釋放內(nèi)存，則在第一運(yùn)行結(jié)束時(shí)，內(nèi)存池會(huì)自動(dòng)打印報(bào)警信息，信息中標(biāo)明是哪個(gè)模塊的哪個(gè)函數(shù)，由于什么原因分配的內(nèi)存塊忘了釋放，程序員幾乎立即就可以找到故障點(diǎn)，排除bug。

提示：筆者在前不久帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一個(gè)服務(wù)器集群中，由于引入了這類注冊+自報(bào)警機(jī)制，所有的C和C++程序模塊，從未出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，極大地提升了程序的穩(wěn)定性，也為項(xiàng)目的順利完成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《0bug-C/C++商用工程之道》节选00--内存管理的基本要求的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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