高效内存管理与常见问题解决

### 高效内存管理与常见问题解决 #### 1. 按需获取内存 在某些场景下，我们需要按需获取内存。以下是一个简单的内存堆类 `MemHeap1` 的实现： ```cpp MemHeap1(int max size) { array = new T[max size]; if ( array != 0 ) length = max size; else // error! length = 0; start = NULL; } ``` 通过这个构造函数，我们可以初始化一个最大容量为 `max size` 的内存堆。如果内存分配成功，`length` 会被设置为 `max size`；否则，`length` 为 0。 接下来是内存分配函数： ```cpp T *allocate() { if ( start >= length ) throw bad alloc(); else { // initialize to default value array[start] = 0; return &(array[start++]); } } ``` 这个函数会检查是否还有可用的内存空间。如果 `start` 已经达到或超过 `length`，则抛出 `bad_alloc` 异常；否则，将当前位置初始化为默认值 0，并返回该位置的指针，然后 `start` 指针向后移动一位。 这种方式的内存开销非常小，整个可分配对象集只需要两个整数。然而，如果数组用完了，我们几乎没有办法。例如，不能重新分配数组，因为这样 `allocate` 返回的指针都会失效。 #### 2. 支持释放的固定大小对象内存管理 对于固定大小的对象，若要支持内存释放，就需要更多的记录工作。最简单的策略是将相关对象的内存堆维护成一个链表。释放一个内存块就变成了将该块设为链表头的简单操作。当链表遍历完，就必须从底层分配器（如 `malloc` 或 `new`）获取一个新的大内存块。在 C++ 中，这可以通过创建一个分配器来实现。不过，C++ 中存在一些复杂情况，因为在某个时刻必须将“原始内存”转换为对象（这需要调用其类的构造函数）。 #### 3. 内存使用技巧 ##### 3.1 高水位标记技术 在计算过程中，用于中间计算的向量大小可能会不可预测地变化。如果分配最大可能的向量，很可能会造成内存浪费；而每次根据新大小分配和重新分配向量又会花费大量时间。高水位标记技术是一个不错的选择。 该技术通过维护两个字段或变量来实现：一个保存向量的物理大小，另一个保存向量的逻辑大小（即实际需要使用的大小）。如果物理大小大于或等于请求的逻辑大小，只需更改逻辑大小；如果物理大小小于请求的逻辑大小，则必须增加物理大小，通常将物理大小增加到请求的逻辑大小。 以下是 Meschach 中向量数据结构的定义： ```c /* vector definition */ typedef struct { unsigned int dim, max dim; Real *ve; } VEC; ``` 其中，`dim` 表示当前向量的大小，`max dim` 表示已分配的最大内存大小，`ve` 是指向实际数据的指针。 Meschach 中向量调整大小的函数 `v resize()` 部分代码如下： ```c /* v resize -- returns the vector x with dim new dim -- x is set to the zero vector */ VEC *v resize(VEC *x, int new dim) { ... if ( new dim > x->max dim ) { ... /* reallocate for new dim Real’s */ x->ve = RENEW(x->ve,new dim,Real); if ( ! x->ve ) /* if allocation fails... */ error(E MEM,”v resize”); x->max dim = new dim; } ... /* now set new dimension */ x->dim = new dim; return x; } ``` 如果我们能大致估计向量可能的最大大小，就可以先将向量大小设置为这个估计值，然后根据需要将其调整为所需的逻辑大小。在使用 C++ STL 时，可以使用 `reserve()` 进行初始大小设置。由于物理大小不会变小，我们可以满足大多数逻辑大小的请求，从而减少内存分配和释放的调用次数。 在 Meschach 中，高水位标记技术在函数内部使用，中间向量在函数调用之间保留其内存： ```c #include ”matrix.h” VEC *my function(VEC *x, VEC *out) { static VEC *temp = NULL; /* holds intermediate results */ if ( ! x ) error(E NULL,”my function”); temp = v resize(temp,x->dim); /* do computations... */ return out = v copy(temp,out); } ``` 需要注意的是，中间向量 `temp` 必须声明为 `static`，这样它才能在函数调用之间保留其值和内存。但这种方法不适用于可重入或线程安全的代码，因为在共享库中应尽量避免使用静态变量。 不过，这种方法也有弱点。当向量不再需要时，它可能仍然占用大量内存，调整向量大小并不会使这些内存可用于其他计算。最简单的处理方法是释放整个向量，但对于静态局部变量，这是不可能的。Meschach 提供了一些替代方法来处理这种情况，涉及注册这些静态临时变量。 ##### 3.2 摊销加倍技术 高水位标记技术可以处理许多不规则的大小请求，但对于在向量末尾添加一个元素的常见情况，它的效率并不高。因为每次循环都可能需要增加向量的大小，每次迭代都需要进行一次内存分配和向量复制，这可能会很昂贵。 摊销加倍技术通过将物理大小和逻辑大小分开来避免这个问题。每次请求物理大小的小幅度增加时，我们大约将物理大小加倍。例如，可以将物理大小设置为 `max(2 × 当前物理大小, 请求的逻辑大小)`。如果向量的初始大小为 `s0`，请求的最大大小为 `smax`，我们最多只需要 $\log_2 \lceil s_{max}/s_0 \rceil$ 次内存分配调用。虽然这种技术可能会分配多达实际使用量两倍的内存，但通常是可以接受的。 假设在增加大小的过程中保留先前的条目，我们需要将旧数组中的值复制到新数组中。不过，复制的次数不超过 `2n`，其中 `n` 是最终数组中的条目数。 这种技术在 Meschach 的稀疏矩阵代码中用于插入条目时。当一行需要更多内存时，稀疏行的大小会加倍，这样就可以高效地处理通常的操作（即逐步向行中添加条目）。 #### 4. 常见内存问题 内存问题很难调试，因为问题出现的位置可能与实际问题的位置相差很远。以下是几种需要特别注意的内存问题： - 忘记分配内存； - 读写超出允许区域的内存； - 悬空指针导致对内存的不当访问； - 丢失对有用内存块的访问，导致内存泄漏。 ##### 4.1 未分配内存问题 最常见的内存错误之一是忘记初始化指针变量。例如： ```c double *p; /* ... */ for ( i = 0; i < n; i++ ) p[i] = 0.0; ``` 在许多语言和系统中，未初始化的变量会采用栈上留下的值。如果是未初始化的指针，访问它通常会导致段错误。尝试释放与未初始化指针关联的内存可能会导致程序在远离指针创建的地方意外终止。 大多数编译器可以快速识别未初始化变量的使用。可以检查编译器选项，强制它检查此错误，因为该错误还可能导致其他类型的问题。 ##### 4.2 内存越界问题 在 C 和 Fortran 中，内存越界是一个特别常见的错误。在编译器或运行时系统知道数组大小的语言（如 Java 和 Pascal）中，大多数此类错误可以得到预防。Fortran 编译器通常有开关，可以在已知数组边界的情况下启用数组边界检查。 以下是一个 C 语言的示例： ```c double *array1, *array2; int i, length; /* some code goe ```