第5章基础——5.4. 进程与内存

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-08-06 11:17 164阅读 0赞

5.4. 进程与内存

前面讲“库”文件时说到：动态库的“函数”，有“函数地址”。其实不仅函数有地址，程序中的各种数据，都有地址。

5.4.1.什么叫进程

当程序安静地躺在硬盘上时，它是一个“文件”，非要给点区别的话，它是一个“可执行文件”；而当程序运行起来，它就从硬盘上一跃进入内存，这时它就被叫做一个“进程/process”了。

![zy][]〖课堂作业〗：学习通过“任务管理器”观察进程

请同时按下Ctrl + Alt + Del 键，或者在任务栏空白处点右键，弹出菜单中选“任务管理器”，并切换到“进程”页，我们可以看到各个进程的一些指标。提示：通过菜单“查看->选择列”，可以配置更多观察选项，下图是一个示例：

![图 5-6 通过“任务管理器”，观察进程][5-6]

图 5-6 通过“任务管理器”，观察进程

5.4.2.进程的内存空间

硬盘上的文件，是“死”的，内存的进程，才是“活”的，可以说，内存就是程序生存的天地，那么每个进程的拥有天地有多大呢？回答是：“4G”。

“4G”又是多大？通常程序员习惯用十六进制来思考内[存][Link 1]大小问题，不过我们还没有学习十六进制呢，还是用10进制回答问题吧：4G的大小是4294967295。

或许有些读者想打开机箱：明明只插了1G，甚至只有512兆的内存啊？操作系统如何给每个进程都分配出4 G的内存空间呢？

在本章前部的《从代码到程序》一节，我们已经说过，程序运行在操作系统之上，要访问硬件，通过要假手操作系统。内存可是最重要的硬件了，元老级的操作系统确实允许我们直接操纵内存，但现代的操作系统都不允许了。这样，操作系统就有了玩猫腻的机会——当然，是在硬件支持的情况下。

首先，预备的并不是真实的内存空间大小，而是“内存地址”大小，更严格地说，是内存的“虚拟地址”（真实内存地址称为“物理地址”）。

如果我们把内存空间的最小单位想像成一个格子。那么内存地址就是格子的门牌号码。这里的4G，是指有4G个内存“虚拟地址”——再直白一点，就是每个进程可以获得4G个门牌号，而不是4G个真实的内存空间。

房子少，门牌却多，这些门牌最终要挂在哪里呢？答曰：一部分挂到真实的物理地址上去，一部分可能被挂到“虚拟内存（硬盘空间）”上，还有很大一部分，哪儿也不挂，整个儿就是操作系统给进程开的白条。

“虚拟内存”和“虚拟地址”没多大关系。后者是指操作系统分配给每个进程一致的，从“0”到“4294967295”的内存地址。前者则是指操作系统经常性地拿硬盘空间假装成内存空间欺骗进程。

![zy][]〖课堂作业〗：观察本机的虚拟内存配置

右键点击“我的电脑”，弹出菜单选“属性”，出现“系统属性”对话框中，切换到“高级”页；找到“性能”分组框，点击其内“设置”按钮，出现“性能选项”对话框，同样切换到“高级”页。请在上面查找有关“虚拟内存”的配置。

有关4G内存空间的几个迷底我们一并揭开：

第一、“内存不够，硬盘来凑”。但是，请注意：访问真实内存的速度，是“纳秒(十亿分之一秒)/ns”级，访问硬盘的速度，却是“毫秒（千分之一秒）/ms”级。

![import][]〖重要〗： 程序设计原则：去除不必要读写文件操作

程序需要读写（物理）文件很正常，但如果一个程序需要非常频繁地读写文件，就需要考虑其设计思路是否有问题。

比如读取配置文件，一般被设计成在程序启动期间，读入内存，之后一直使用内存数据。如果在程序运行过程中，配置文件会被外部修改，则应争取设置成“通知”机制，即外部有修改后，程序能够收到一个通知，然后重读文件，而不应设计成每次需要配置，就从文件中读取（配置数据的使用频度往往很高）。

第二、 虽然承诺是4G，但实际上这是一个按需分配的过程，绝大多数进程，需要的最多不过数百兆。操作系统分给每个进程是4G的内存虚拟地址（门牌），绝不是直接就给出4G内存（那样的话，系统直接挂掉了）。

第三、 在4G里，还需要分出2G用来预留和其操作系统、和其它进程共享使用，这部分内存，当前进程默认状态下没有访问权限。

第四、 最后一迷底很重要：谁负责内存“虚拟地址”与“物理地址”的变换呢？是硬件，主要是CPU。物理内存是兵家必争之地——至少未来十年之内还是——读写内存必须非常迅速，这件要求软件（包括操作系统）实现不了，只能交给硬件去做。而操作系统所做的，是屏蔽掉多数应用程序直接读写物理内存的权限。

上面的迷底一开，会不会让读者您很鄙视“4G空间”这一说了？且莫！

通过“虚拟地址”的内存访问模式，称为“保护模式”，对应的，允许程序直接访问物理内存，称为“实模式”。“实模式”存在不少问题。

比如，随便一个程序对物理内存胡作非为了，整个操作系统——甚至就是整台机器， 直接就宕掉了。

再如，没有系统实现的虚拟内存时，程序必须自己处理如何将暂时不用的数据，存到硬盘上，等需要时，又如何读出来，令程序员烦不胜烦；现在有了4G空间，程序员一口气写6个程序，脸不红心不跳的，真是方便多了！

5.4.3. 内存分配测试程序

下面我们写一个程序，以观察一个C++程序大致能向操作系统要到多少内存。这是一很小的，同时也很不准确的程序。仅粗略测试程序运行期，能够动态分配到多少内存，程序自身已经占用的内存并不计算。

打开Code::Blocks，新建一个控制台项目，项目名称为“MemoryAllocTest”。打开项目中默认存在的main.cpp文件，完成以下代码：

#include <iostream>
    
    using namespace std;
    
    int main()
    {
       
    007  unsigned int bytes = 0;
         
    009 while(true)
        {
       
    011     try
            {
       
    013         new char [1024 * 4]; //每次分配4K内存
    014         bytes += 1024 * 4;
            }
    016     catch(std::bad_alloc const & e)
            {
       
    018         std::cout << e.what() << std::endl;
    019         break;
            }
        }
        
    023 std::cout << bytes << "bytes" << std::endl;
        
        return 0;
    }

![wx][]〖危险〗： 一个对内存无比贪婪的程序！

切莫着急编译，然后运行这个程序。因为它会尽全力去吞噬你的内存（物理的，或者虚拟的），直到操作系统忍无可忍地拒绝了它。在此过程中，你的电脑会变得反应迟钝，很多其它进程变得不能及时响应，甚至有些进程会出错。所以，请在执行本程序之前，先保存你修改中任何内容，并尽量关闭一些不需要的程序。

内存的最小单位，叫“字节/byte”。在007行，我们定义一个“正整数/unsigned int”的变量，我们就把它取名为bytes了。这个变量一会儿用来记录我们分配了多少个字节的内存。现在，它被初始化为0。

009行是我们熟悉的“死循环”，既然是死循环，通常就得有个出口来解救：在019行，我们看到一个break。

这个break什么时候起作用呢？这里我们要认识新朋友了：异常。请看从011行和016行，组成这样的一个语句结构

011      try
            {
       
                   //代码块-1
            }
    016      catch(std::bad_alloc const & e)
            {
       
                  //代码块-2
            }

在try\{\} 的范围内的代码（代码块-1），如果发生C++定义的异常，程序将跳转catch() \{\}范围内的代码（代码块-2）继续执行。

异常是C++支持的一种程序流程结构化跳转，我们将在以后学习，本例中将要发生的事情是：

013 行的代码，将在循环内一次又一次分配内存，（并且后面从不释放），终有一次，这个贪婪的行为将会失败。C++规定，出现内存分配失败时，默认行为是抛出一个C++的异常数据，并且中止其后代码运行，然后跳转到某一种catch代码块中，在本例，就是018行和019行。

018行输出所捕获到异常的简单说明。019行则是重要的“break”，没错，程序内存被耗尽，循环进行不下去，此时不break，更待何时？

下面是该程序在我的电脑上运行的结果，费时超过6分钟，分配了近2 G字节的内存。

![图 5-7 C++程序内存分配试验结果][5-7 C]

图 5-7 C++程序内存分配试验结果

读者可能对上述代码中，C++如何申请内存有兴趣。我们也简单说一下。

C++中的“new”命令，可以向系统申请分配内存，并且它根据其后所接的“数据类型”，来决定要申请多个字节。“char/字符”类型在C++中的大小正好是1个字节，所以，如果013行代码写的是：

013 new char;

那么每一次循环步骤中，将只分配1个字节，这会让这个测试更准确一些，但代价可能是变成费时1个小时，所以本例每次申请4K 个字节（1K是1024字节）。在C++，要一次分配连续的，多个char大小的内存，方法是使用中括号，正如本例所示：

new char \[N\];

其中N是所要分配的个数。

![hint][]〖小提示〗：内存个数单位

内存最小单位为：字节/byte。

1K：2的10次方，1024个字节。

1M（兆）：2的20次方，1024\*1024个字节。

1G：2的30次方：1024\*1024\*1024个字节。

前面描述内存地址时的4G，即2的32次方（1024\*1024\*1024 \* 4）。

5.4.4.32位机器

现在，本小节最后一个问题是：为什么系统给每个进程，预备的是4G个字节，而不是更多或更少？

以下是回答过程： 我们现在常用的电脑，是32位机。这32位，对应到硬件上，就是32条电路，这32路要么通电，要么断电，对应成二进制，就是32个1或0。

用这32位来表达内存地址，最大数是一个32位全为1的二进制数，即2的32次方，正好是4G。

哪一天我们全用上64位机，这个4G的数值，可就要改成多大2的64次方： 4G个4G！

[zy]: http://writeblog.csdn.net/images/common/xczy.png
[5-6]: http://writeblog.csdn.net/images/5_4/5_4_1.jpg
[Link 1]: http://writeblog.csdn.net/拖动到一个文件以创建链接
[import]: http://writeblog.csdn.net/images/common/important.png
[wx]: http://writeblog.csdn.net/images/common/caution.png
[5-7 C]: http://writeblog.csdn.net/images/5_4/5_4_2.jpg
[hint]: http://writeblog.csdn.net/images/common/hint_icon.PNG