内存管理（-）

内存碎片

程序的内存往往不是紧凑连续排布的，而是存在着许多碎片。我们根据碎片产生的原因把碎片分为内部碎片和外部碎片两种类型：

(1) 内部碎片：系统分配的内存大于实际所需的内存（由于对齐机制）；

(2) 外部碎片：不断分配回收不同大小的内存，由于内存分布散乱，较大内存无法分配；

 

 

内部碎片和外部碎片

内存对齐

对于基础类型，如float, double, int, char等，它们的大小和内存占用是一致的。而对于结构体而言，如果我们取得其sizeof的结果，会发现这个值有可能会大于结构体内所有成员大小的总和，这是由于结构体内部成员进行了内存对齐。

为什么要进行内存对齐

① 内存对齐使数据读取更高效

在硬件设计上，数据读取的处理器只能从地址为k的倍数的内存处开始读取数据。这种读取方式相当于将内存分为了多个"块“，假设内存可以从任意位置开始存放的话，数据很可能会被分散到多个“块”中，处理分散在多个块中的数据需要移除首尾不需要的字节，再进行合并，非常耗时。

为了提高数据读取的效率，程序分配的内存并不是连续存储的，而是按首地址为k的倍数的方式存储；这样就可以一次性读取数据，而不需要额外的操作。

 

 

读取非对齐内存的过程示例

② 在某些平台下，不进行内存对齐会崩溃

内存对齐的规则

定义有效对齐值（alignment）为结构体中 最宽成员 和 编译器/用户指定对齐值 中较小的那个。

(1) 结构体起始地址为有效对齐值的整数倍

(2) 结构体总大小为有效对齐值的整数倍

(3) 结构体第一个成员偏移值为0，之后成员的偏移值为 min(有效对齐值, 自身大小) 的整数倍

相当于每个成员要进行对齐，并且整个结构体也需要进行对齐。

示例

struct A
{
    int i;
    char c1;
    char c2;
};

int main()
{
    cout << sizeof(A) << endl; // 有效对齐值为4, output : 8
    return 0;
}

 

 

内存排布示例

 

高速缓存

一般来说CPU以超高速运行，而内存速度慢于CPU，硬盘速度慢于内存。

当我们把数据加载内存后，要对数据进行一定操作时，会将数据从内存载入CPU寄存器。考虑到CPU读/写主内存速度较慢，处理器使用了高速的缓存（Cache)，作为内存到CPU中间的媒介。

 

 

L1缓存和L2缓存

引入L1和L2缓存后，CPU和内存之间的将无法进行直接的数据交互，而是需要经过两级缓存（目前也已出现L3缓存）。

① CPU请求数据：如果数据已经在缓存中，则直接从缓存载入寄存器；如果数据不在缓存中（缓存命中失败），则需要从内存读取，并将内存载入缓存中。

② CPU写入数据：有两种方案，(1) 写入到缓存时同步写入内存（write through cache) (2) 仅写入到缓存中，有必要时再写入内存(write-back)

为了提高程序性能，则需要尽可能避免缓存命中失败。一般而言，遵循尽可能地集中连续访问内存，减少”跳变“访问的原则（locality of reference)。这里其实隐含了两个意思，一个是内存空间上要尽可能连续，另外一个是访问时序上要尽可能连续。像节点式的数据结构的遍历就会差于内存连续性的容器。

 

分配与管理机制

到目前为止，我们对内存的概念有了初步的了解，也掌握了一些基本的语法。接下来我们要讨论如何进行有效的内存管理。

设计高效的内存分配器通常会考虑到以下几点：

① 尽可能减少内存碎片，提高内存利用率

② 尽可能提高内存的访问局部性

③ 设计在不同场合上适用的内存分配器

④ 考虑到内存对齐