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淺析C++如何跨模塊釋放內(nèi)存

更新時(shí)間：2024年02月23日 10:26:26 作者：Simple?Simple

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了C++中跨模塊釋放內(nèi)存的相關(guān)知識(shí),文中的示例代碼講解詳細(xì),具有一定的借鑒價(jià)值,有需要的小伙伴可以了解下

在開(kāi)發(fā)主程序和動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，首要原則就是：避免跨模塊申請(qǐng)和釋放內(nèi)存。這一點(diǎn)，我們?cè)诤芏嚅_(kāi)源庫(kù)或者平常項(xiàng)目中也都碰到過(guò)，對(duì)于動(dòng)態(tài)庫(kù)中的堆內(nèi)存申請(qǐng)與釋放，動(dòng)態(tài)庫(kù)總是會(huì)提供兩個(gè)接口分別實(shí)現(xiàn)new和delete操作，而不會(huì)讓調(diào)用方自己去操作。但有時(shí)候如果違背了這個(gè)原則呢，在linux平臺(tái)上不會(huì)存在這樣的憂慮，因?yàn)樵趌inux下，每個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)heap，在任何一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)模塊so中通過(guò)new或者malloc來(lái)分配內(nèi)存的時(shí)候都是從這個(gè)唯一的heap中分配的，那么自然你在其它隨便什么地方釋放都是沒(méi)問(wèn)題的。這個(gè)模型是簡(jiǎn)單的。而windows下就變得復(fù)雜了，下面主要介紹一下windows下的主程序和dll之間跨模塊內(nèi)存釋放的問(wèn)題。

windows允許一個(gè)進(jìn)程中有多個(gè)heap，那么當(dāng)需要在堆上分配內(nèi)存時(shí)就要指明在哪個(gè)heap上分配，win32提供了HeapAlloc函數(shù)可以在指定的堆上分配內(nèi)存。這樣的設(shè)計(jì)雖然比較靈活，但是問(wèn)題在于，每次分配內(nèi)存的時(shí)候就必須要顯式的指定一個(gè)heap，對(duì)于crt中的new/malloc，顯然需要特殊處理。那么如何處理就取決于crt的實(shí)現(xiàn)了。vc的crt是創(chuàng)建了一個(gè)單獨(dú)的heap，叫做__crtheap，它對(duì)于用戶是看不見(jiàn)的，但是在new/malloc的實(shí)現(xiàn)中，都是用HeapAlloc在這個(gè)__crtheap上分配的，也就是說(shuō)malloc(size)基本上可以認(rèn)為等同于HeapAlloc(__crtheap, size)（當(dāng)然實(shí)際上crt內(nèi)部還要維護(hù)一些內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以并不是每次malloc都必然會(huì)觸發(fā)HeapAlloc），這樣new/malloc就和windows的heap機(jī)制吻合了。

如果一個(gè)進(jìn)程需要?jiǎng)討B(tài)庫(kù)支持，系統(tǒng)在加載dll的時(shí)候，在dll的啟動(dòng)代碼_DllMainCRTStartup中，會(huì)創(chuàng)建這個(gè)__crtheap，所以理論上有多少個(gè)dll，就有多少個(gè)__crtheap。最后主進(jìn)程的mainCRTStartup 中還會(huì)創(chuàng)建一個(gè)為主進(jìn)程服務(wù)的__crtheap。（由于順序總是先加載dll，然后才啟動(dòng)main進(jìn)程，所以你可以看到各個(gè)dll的__crtheap地址比較小，而主進(jìn)程的__crtheap比較大，當(dāng)然排在最前面的堆是每個(gè)進(jìn)程的主heap。）

由此可見(jiàn)，對(duì)于crt來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)dll都有自己的heap，所以每個(gè)dll通過(guò)new/malloc分配的內(nèi)存都是在自己dll內(nèi)部的那個(gè)heap上用HeapAlloc來(lái)分配的，而如果你想在其它模塊中釋放，那么在釋放的時(shí)候HeapFree就會(huì)失敗了，因?yàn)楦鱾€(gè)模塊的__crtheap是不一樣的。

那么如果有非要用到跨模塊釋放的場(chǎng)景呢，可以使用以下幾種方式來(lái)解決：

一、MT改MD

一個(gè)進(jìn)程的地址空間是由一個(gè)可執(zhí)行模塊和多個(gè)DLL模塊構(gòu)成的，這些模塊中，有些可能會(huì)鏈接到C/C++運(yùn)行庫(kù)的靜態(tài)版本，有些可能會(huì)鏈接到C/C++運(yùn)行庫(kù)的DLL版本。當(dāng)使用運(yùn)行庫(kù)的DLL版本時(shí)，由于dll加載到進(jìn)程中只會(huì)在地址空間中存有一份，因此共用的是同一個(gè)堆。所以將可執(zhí)行模塊和DLL模塊統(tǒng)一修改為MD編譯，則可以直接實(shí)現(xiàn)跨模塊之間的內(nèi)存申請(qǐng)和釋放，而不會(huì)存在任何問(wèn)題。

更多MT和MD，以及DLL和進(jìn)程地址空間的知識(shí)可以參考文末補(bǔ)充內(nèi)容

二、DLL提供釋放接口

DLL提供統(tǒng)一的對(duì)外接口，供外部模塊（可執(zhí)行模塊或其它DLL模塊）調(diào)用，由該DLL內(nèi)部來(lái)進(jìn)行內(nèi)存的釋放。簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)如下：

void __stdcall MyFree(void *ptr)
{
    if (ptr)
    {
        free(ptr);
    }
}
void __stdcall MyDelete(void *ptr)
{
    if (ptr)
    {
        delete ptr;
    }
}
void  __stdcall MyDeleteArray(void *ptr)
{
    if (ptr)
    {
        delete[] ptr;
    }
}

三、使用進(jìn)程堆申請(qǐng)內(nèi)存

在一個(gè)進(jìn)程中，可執(zhí)行模塊和DLL模塊都屬于同一個(gè)進(jìn)程地址空間，而每個(gè)進(jìn)程又都有一個(gè)為主進(jìn)程服務(wù)的堆（一般也稱為進(jìn)程的默認(rèn)堆），當(dāng)我們需要跨模塊進(jìn)行內(nèi)存申請(qǐng)和釋放時(shí)，可以在進(jìn)程主堆上進(jìn)行申請(qǐng)，同樣地，釋放時(shí)，也直接在進(jìn)程主堆上進(jìn)行釋放，這樣就可以不用考慮MT導(dǎo)致的跨進(jìn)程釋放的問(wèn)題。API的使用此處不講解，直接附上簡(jiǎn)易代碼：

在DLL中：

void* __stdcall Test(int *len)
{
	void* pData = HeapAlloc(GetProcessHeap(), HEAP_ZERO_MEMORY, 100);
	if (pData == NULL)
		return NULL;
	//使用的是HEAP_ZERO_MEMORY，會(huì)自動(dòng)把內(nèi)存塊的內(nèi)容都清零
	//下面這行代碼可以不要的
	memset(pData, 0, 100);

	char pBuf[] = "十點(diǎn)十分十分十分";
	memcpy(pData, pBuf, sizeof(pBuf));
	*len = 100;
	return pData;
}

在可執(zhí)行模塊中：

int main()
{
	HMODULE hLib = LoadLibraryA("Dll1.dll");
	if (nullptr == hLib)
	{
		std::cout << "LoadLibraryA fail, error:" << GetLastError() << std::endl;
		return 0;
	}

	Fun fun = (Fun)GetProcAddress(hLib, "Test");
	if (nullptr == fun)
	{
		std::cout << "GetProcAddress fail, error:" << GetLastError() << std::endl;
		return 0;
	}

	int nLen = 0;
	char *pData = (char*)fun(&nLen);

	std::string strTemp(pData, nLen);

	HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pData);

	std::cout << strTemp << std::endl;

	return 0;
}

使用默認(rèn)的進(jìn)程堆來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存還需要注意，很多Windows系統(tǒng)函數(shù)都用到了進(jìn)程的默認(rèn)堆，而且應(yīng)用程序會(huì)可能有多個(gè)線程同時(shí)要調(diào)用各種windows函數(shù)，因此系統(tǒng)保證不管在什么時(shí)候，一次只讓一個(gè)線程從默認(rèn)堆中分配或者釋放內(nèi)存快。當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)想要從默認(rèn)堆中分配一塊內(nèi)存，那么只有一個(gè)線程能夠分配，另一個(gè)線程必須等待第一個(gè)線程的分配完成。這種依次訪問(wèn)對(duì)性能會(huì)有輕微影響，在一般的應(yīng)用程序中可以忽略不計(jì)，對(duì)性能要求較高的程序需要注意。

四、知識(shí)補(bǔ)充

DLL和進(jìn)程的地址空間

DLL是Windows開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常使用到的一種技術(shù)，比如我們經(jīng)常會(huì)把相同功能的代碼封裝到一個(gè)模塊中，然后供其他需要使用該模塊的程序共同調(diào)用，可以降低代碼的復(fù)用性，使用起來(lái)非常方便；而且，當(dāng)我們需要對(duì)外部提供自己公司的接口時(shí)，也會(huì)考慮到使用dll，它可以將我們內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的代碼進(jìn)行封裝保護(hù)，而不會(huì)暴露給使用者。

下面主要討論DLL和調(diào)用DLL的進(jìn)程的地址空間的關(guān)系，避免使用DLL的過(guò)程中，造成難以預(yù)測(cè)的內(nèi)存泄漏問(wèn)題，以及程序崩潰問(wèn)題。

MT和MD的區(qū)別

大家在使用windows編程時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)運(yùn)行庫(kù)的編譯選項(xiàng)，MT和MD（MTD和MDD只是對(duì)應(yīng)的debug調(diào)試模式）。我們以c/c++運(yùn)行庫(kù)為例，如果我們的應(yīng)用程序選擇連接到C/C++運(yùn)行庫(kù)的靜態(tài)版本，那么諸如_tcscpy，malloc之類的函數(shù)會(huì)在內(nèi)存中出現(xiàn)多次；但是如果連接到C/C++運(yùn)行庫(kù)的DLL版本，那么這些函數(shù)就只是在內(nèi)存中出現(xiàn)一次，這意味著內(nèi)存的使用率非常高，而這個(gè)也是windows操作系統(tǒng)從誕生之初就推出DLL的主要原因。

1、使用MD的場(chǎng)景：

（1）程序就不需要靜態(tài)鏈接運(yùn)行時(shí)庫(kù)，可以減小軟件的大小；

（2）所有的模塊都采用/MD，使用的是同一個(gè)堆，不存在A堆申請(qǐng)，B堆釋放的問(wèn)題；

（3）用戶機(jī)器可能缺少我們編譯時(shí)使用的動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)庫(kù)。（補(bǔ)充：如果我們軟件有多個(gè)DLL，采用/MT體積增加太多，則可以考慮/MD + 自帶系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)庫(kù)）

2、使用MT的場(chǎng)景：

（1）有些系統(tǒng)可能沒(méi)有程序所需要版本的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，程序必須把運(yùn)行時(shí)庫(kù)靜態(tài)鏈接上。

（2）減少模塊對(duì)外界的依賴。

顯示鏈接與隱式鏈接

在應(yīng)用程序能夠調(diào)用一個(gè)DLL中的函數(shù)之前，必須將該DLL的文件映像映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間中。我們可以通過(guò)兩種方法來(lái)達(dá)到這一目的：隱式載入時(shí)鏈接或顯示運(yùn)行時(shí)鏈接。

1、顯示鏈接

通過(guò)WIN32 API來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種鏈接方式。

（1）LoadLibraryA將對(duì)應(yīng)DLL映射到當(dāng)前調(diào)用進(jìn)程的地址空間中

（2）GetProcAddress獲取DLL中的導(dǎo)出函數(shù)地址，通過(guò)函數(shù)地址調(diào)用函數(shù)。

（3）FreeLibrary從調(diào)用進(jìn)程的地址空間中撤銷對(duì)DLL的映射。

2、隱式鏈接

當(dāng)編寫(xiě)DLL工程代碼時(shí)，如果鏈接器檢測(cè)到DLL的源文件輸出了至少一個(gè)變量或函數(shù)時(shí)時(shí)，那么鏈接器或會(huì)生成一個(gè).lib文件，這個(gè).lib文件非常小，這是因?yàn)樗⒉话魏魏瘮?shù)或者變量，它只是列出了所有被導(dǎo)出的函數(shù)和變量的符號(hào)名。

把DLL隱式鏈接到調(diào)用進(jìn)程時(shí)，，我們需要用到三個(gè)文件，DLL相關(guān)的.h文件，.lib文件和.dll文件，前兩個(gè)文件需要通過(guò)配置工程項(xiàng)目屬性，當(dāng)編譯的時(shí)候鏈接器把導(dǎo)出函數(shù)和變量相關(guān)信息加入到調(diào)用進(jìn)程的可執(zhí)行模塊的導(dǎo)入段中，當(dāng)可執(zhí)行模塊運(yùn)行時(shí)，根據(jù)導(dǎo)入段的信息去加載對(duì)應(yīng)的DLL。

DLL和進(jìn)程的地址空間

一旦系統(tǒng)將一個(gè)DLL的文件映像映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間后，進(jìn)程中的所有線程都可以調(diào)用該DLL中的函數(shù)了。此時(shí)，該DLL中的代碼和數(shù)據(jù)全部存放在進(jìn)程的地址空間中，且DLL中的函數(shù)創(chuàng)建的任何對(duì)象都為調(diào)用線程或調(diào)用進(jìn)程所擁有-DLL絕對(duì)不會(huì)擁有任何對(duì)象。

舉個(gè)例子，如果DLL中的一個(gè)函數(shù)調(diào)用了VirtualAlloc，系統(tǒng)就會(huì)從調(diào)用進(jìn)程的地址空間中預(yù)定地址空間區(qū)域（即申請(qǐng)內(nèi)存）。如果稍后從進(jìn)程的地址空間中撤銷對(duì)DLL的映射，那么這塊地址區(qū)域仍然被保持為預(yù)定狀態(tài)（DLL被從調(diào)用進(jìn)程中取消映射，并不會(huì)主動(dòng)釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存）。被預(yù)定的空間區(qū)域的擁有者是進(jìn)程，只有當(dāng)線程調(diào)用了VirtualFree函數(shù)或者當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，該區(qū)域才會(huì)被釋放。

也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)DLL被加載到調(diào)用進(jìn)程的地址空間內(nèi)，DLL內(nèi)所有申請(qǐng)的內(nèi)存空間都是屬于調(diào)用進(jìn)程的，靜態(tài)變量和全局變量都會(huì)是一份全新的實(shí)例。對(duì)于DLL中申請(qǐng)的內(nèi)存要記得釋放掉，并且嚴(yán)格遵循“誰(shuí)申請(qǐng)誰(shuí)釋放”的原則，盡量不要dll中申請(qǐng)的內(nèi)存，然后在調(diào)用線程中直接通過(guò)操作符或者API函數(shù)進(jìn)行刪除（當(dāng)dll和調(diào)用進(jìn)程使用的運(yùn)行庫(kù)編譯選項(xiàng)不是同時(shí)為MD時(shí)，會(huì)導(dǎo)致程序崩潰）

寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單例子，來(lái)驗(yàn)證每次DLL映射到進(jìn)程地址空間中時(shí)，DLL中的全局變量的實(shí)例都是重新創(chuàng)建的。

DLL代碼很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)全局變量