Open Cascade 中的內存管理
Memory Management in Open Cascade
一、 C ++中的內存管理 Memory Management in C ++
1. 引言
為了表現出多態，在 C ++中就會用到大量的指針和引用。指針所指的對象是從內存空間中借來的，當然要及時歸還。特別是指針在程序中隨心所欲地創建，因此，一個指針究竟指向哪個對象，一個對象到底被幾個指針所指向，是程序員十分關注的事情。
C ++中涉及到的內存管理問題可以歸結為兩方面：正確地掌握它和有效地使用它。好的程序員會理解這兩個問題為什么要以這樣的順序列出。因為執行得再快、體積再小的程序，如果不按所期望的方式去執行也是沒什么用處的程序。對于大多數程序員，正確地掌握意味著正確地調用內存分配和釋放函數；有效地使用意味著編寫自定義版本的內存分配和釋放函數。顯然，正確地掌握它要重要些。
在 C 中，只要用 malloc 分配的內存沒有用 free 釋放就會產生內存泄露。在 C ++中肇事者的名字換成了 new 和 delete ，但是問題依然存在。當然，有了析構函數情況稍有改觀。因為析構函數為所有將被銷毀的對象提供了一個方便的調用 delete 的場所，但這同時又帶來了更多的煩惱，因為 new 和 delete 是隱式地調用構造函數和析構函數的。而且可以在類中和類外自定義 new 和 delete 操作符，這又帶來了復雜性，增加出錯的機會。
2. 內存分配方式
內存分配有三種方式：
u 從靜態存儲區域分配。內存在編譯時就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量、 static 變量；
u 從棧上分配。在執行函數時，函數內的局部變量的存儲單元都能在棧上創建，函數執行結束時，這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配內存容量有限；
u 從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行時用 malloc 或 new 申請任意多少的內存，程序員自己負責在用完時使用 free 或 delete 來釋放內存。動態內存的生存期由我們決定，使用起來很靈活，但問題也最多。
二、 Open Cascade 中的內存管理 Memory Management in Open Cascade
在幾何建模的過程中，程序創建和刪除了大量的對象在動態內存中，也就是堆中。在這種情況下，標準 C ++的內存管理方式不是很高效，所以 Open Cascade 在包 Standard 中專門寫了個內存管理程序（ Memory Manager ）來對內存的分配與刪除進行管理。
1． 用法 Usage
為了在 C 代碼中使用 Open Cascade 提供的內存管理器，只需要將原來使用 malloc 的地方使用 Standard :: Allocate 來代替，原來使用 free 的地方使用 Standard :: Free 來代替。另外，原來使用 realloc 的地方使用 Standard :: Reallocate 來代替即可。
在 C ++中， operator new 和 delete 都重新定義以便使用 Open Cascade 的內存管理器。定義代碼如下所示：
public
:
//
Redefined operators new and delete ensure that handles are
//
allocated using OCC memory manager
void
*
operator
new
(size_t,
void
*
anAddress)
{
return
anAddress;
}
void
*
operator
new
(size_t size)
{
return
Standard::Allocate(size);
}
void
operator
delete(
void
*
anAddress, size_t )
{
if
(anAddress) Standard::Free(anAddress);
}
上述代碼是將 operator new 和 delete 及 placement new 都重新定義了，這樣的類的 new 和 delete 都將由 Open Cascade 的內存管理器來管理。
CDL extractor 為在其中所有類都采用這種方式來重新定義 operator new 和 delete ，這樣 Open Cascade 所有的類（少數除外）都是使用 Open Cascade 的內存管理器來管理。
2． 配置內存管理器 Configuring memory manager
Open CASCADE 內存管理器可以配置，按不同的優化方式來分配內存，主要還是看需要分配內存的大小，或者不使用內存優化而直接使用 malloc 和 free 。
配置方式為設置如下環境變量的值：
l MMGT _ OPT ：若設置為 1 （默認值也是為 1 ），內存管理器將使用內存優化的方式來管理內存；若設置為 0 ，則內存的分配就是直接調用 C 的函數 malloc 和 free 來對內存進行管理，此時，所有其它選項除了 MMGT _ CLEAR 外都將被忽略。若設置為 2 ，則會使用 Intel 的 TBB 來對內存的分配進行優化，此時需要有 TBB 的庫。
l MMGT _ CLEAR ：若設置為 1 （默認值也是為 1 ），分配的內存塊將被清零；若設置為 0 ，則內存塊將以分配時的值返回。
l MMGT _ CELLSIZE ：定義了內存池中可分配內存塊的最大值。默認值為 200 。
l MMGT _ NBPAGES ：定義了頁面上可分配的小的內存塊的數量，默認值為 1000 。
l MMGT _ THRESHOLD ：定義了循環利用的而不是返回給堆的內存塊的數量，默認值為 4000 。
l MMGT _ MMAP ：若設置為 1 （默認值也是為 1 ），大內存塊的分配將會使用操作系統的內存映射函數。若設置為 0 ，內存的分配將會直接使用 malloc 直接在堆上分配。
l MMGT _ REENTRANT ：若設置為 1 （默認值為 0 ），所有調用內存優化的函數將會被保證安全，即使有多個不同的線程。當在使用內存優化管理（ MMGT _ OPT = 1 ）內存及多線程的程序時，這個值需要設置為 1 。
注：為了使用 Open Cascade 在多線程的程序中表現出更好的性能，推薦如下兩種設置方式：
l MMGT _ OPT = 0
l MMGT _ OPT = 1 and MMGT _ REENTRANT = 1
3． 程序實現 Implementation details
類 Standard _ MMgrRoot 為內存管理器的抽象類，它定義了內存分配的釋放的虛函數。通過環境變量 MMGT _ OPT 來選擇不同的內存管理類，如下代碼所示：
Standard_MMgrFactory::Standard_MMgrFactory() : myFMMgr(
0
)
{
char
*
var
;
Standard_Boolean bClear, bMMap, bReentrant;
Standard_Integer aCellSize, aNbPages, aThreshold, bOptAlloc;
//
bOptAlloc = atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_OPT
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
bClear
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_CLEAR
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
bMMap
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_MMAP
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
aCellSize
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_CELLSIZE
"
)) ?
var
:
"
200
"
);
aNbPages
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_NBPAGES
"
)) ?
var
:
"
1000
"
);
aThreshold
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_THRESHOLD
"
)) ?
var
:
"
40000
"
);
bReentrant
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_REENTRANT
"
)) ?
var
:
"
0
"
);
if
( bOptAlloc ==
1
) {
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrOpt(bClear, bMMap, aCellSize, aNbPages, aThreshold, bReentrant);
}
else
if
( bOptAlloc ==
2
) {
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrTBBalloc(bClear);
}
else
{
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrRaw(bClear);
}
//
Set grobal reentrant flag according to MMGT_REENTRANT environment variable
if
( !
Standard_IsReentrant )
Standard_IsReentrant
=
bReentrant;
}
當 MMGT _ OPT 設置為 1 時，將會使用類 Standard _ MMgrOpt 來對內存的分配與釋放進行優化。優化方法如下：
l 小型內存塊（小于 MMGT _ CELLSIZE 的內存）不是單獨分配。而是分配一個大的內存池（每個內存池的大小是 MMGT _ NBPAGES ），每個新建內存都被安排在當前的內存池中空閑的地方。若當前內存池被占滿，則分配另一個內存池。在當前的版本中，內存池不會返回給系統（直到程序結束）。然而，調用函數 Standard :: Free ()被釋放的內存塊會被 free 列表記錄，以便在下一個相同大小的內存塊分配時重新利用（循環使用）。
l 中型內存塊（大小在 MMGT _ CELLSIZE 和 MMGT _ THRESHOLD 之間的內存塊）由 C 的函數 malloc 和 free 直接管理。當這樣的內存塊被調用函數 Standard :: Free 釋放時，它們也像小型內存塊那樣被循環使用。與小型內存塊不同的是，被釋放的 free 列表中包含的中型內存塊可以通過函數 Standard :: Purge ，使其返回到堆中。
l 大型內存塊（大于 MMGT _ THRESHOLD 的內存塊，包含用于管理小型內存塊的內存池）的分配取決于 MMGT _ MMAP 的值：若為 0 ，這些內存塊在堆中分配；否則，將會使用操作系統的專用的管理內存映射文件的函數來分配。當使用 Standard :: Free 來釋放大型內存塊時，大型內存塊立即返回給系統。
4． 利與弊 Benefits and drawbacks
Open Cascade 使用內存管理器的最大好處就是其對小型內存塊的循環使用機制。當程序需要對大量小型內存塊進行分配與釋放時，這種機制使程序速度更快。實踐表明，使用這種方式程序的性能可以提高 50 %以上。
相應的弊端就是循環使的內存在程序運行時不會返回給系統。這就可能導致大量的內存消耗，甚至可能導致內存泄露。為了避免這種情況，應該在大量使內存的操作結束后調用函數 Standard :: Purge 。
使用 Open Cascade 的內存管理器（ Memory Manager ）導致的所有的內存開銷有：
l 分配的每個內存塊的大小都會以 8 個字節向上取整。（看其源代碼應該是以的個字節向上取整，源程序如下所示：）
Standard_Address Standard_MMgrRaw::Allocate(
const
Standard_Size aSize)
{
//
the size is rounded up to 4 since some OCC classes
//
(e.g. TCollection_AsciiString) assume memory to be double word-aligned
const
Standard_Size aRoundSize = (aSize +
3
) & ~
0x3
;
//
we use ?: operator instead of if() since it is faster :-)
Standard_Address aPtr = ( myClear ? calloc(aRoundSize,
sizeof
(
char
)) : malloc(aRoundSize) );
if
( !
aPtr )
Standard_OutOfMemory::Raise(
"
Standard_MMgrRaw::Allocate(): malloc failed
"
);
return
aPtr;
}
l 額外的 4 個字節（在 64 位的操作系統上是 8 個字節）將在每個內存塊的開始部分分配，用來保存其大小（或用來保存下一個可用的內存塊的地址），只在 MMGT _ OPT 為 1 時有效。
所以不管 Open Cascade 的內存管理器以優化方式還是標準方式來管理內存，內存總的消耗都將會大一些。
?
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