Open Cascade 中的内存管理
Memory Management in Open Cascade
一、 C ++中的内存管理 Memory Management in C ++
1. 引言
为了表现出多态，在 C ++中就会用到大量的指针和引用。指针所指的对象是从内存空间中借来的，当然要及时归还。特别是指针在程序中随心所欲地创建，因此，一个指针究竟指向哪个对象，一个对象到底被几个指针所指向，是程序员十分关注的事情。
C ++中涉及到的内存管理问题可以归结为两方面：正确地掌握它和有效地使用它。好的程序员会理解这两个问题为什么要以这样的顺序列出。因为执行得再快、体积再小的程序，如果不按所期望的方式去执行也是没什么用处的程序。对于大多数程序员，正确地掌握意味着正确地调用内存分配和释放函数；有效地使用意味着编写自定义版本的内存分配和释放函数。显然，正确地掌握它要重要些。
在 C 中，只要用 malloc 分配的内存没有用 free 释放就会产生内存泄露。在 C ++中肇事者的名字换成了 new 和 delete ，但是问题依然存在。当然，有了析构函数情况稍有改观。因为析构函数为所有将被销毁的对象提供了一个方便的调用 delete 的场所，但这同时又带来了更多的烦恼，因为 new 和 delete 是隐式地调用构造函数和析构函数的。而且可以在类中和类外自定义 new 和 delete 操作符，这又带来了复杂性，增加出错的机会。
2. 内存分配方式
内存分配有三种方式：
u 从静态存储区域分配。内存在编译时就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量、 static 变量；
u 从栈上分配。在执行函数时，函数内的局部变量的存储单元都能在栈上创建，函数执行结束时，这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配内存容量有限；
u 从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行时用 malloc 或 new 申请任意多少的内存，程序员自己负责在用完时使用 free 或 delete 来释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用起来很灵活，但问题也最多。
二、 Open Cascade 中的内存管理 Memory Management in Open Cascade
在几何建模的过程中，程序创建和删除了大量的对象在动态内存中，也就是堆中。在这种情况下，标准 C ++的内存管理方式不是很高效，所以 Open Cascade 在包 Standard 中专门写了个内存管理程序（ Memory Manager ）来对内存的分配与删除进行管理。
1． 用法 Usage
为了在 C 代码中使用 Open Cascade 提供的内存管理器，只需要将原来使用 malloc 的地方使用 Standard :: Allocate 来代替，原来使用 free 的地方使用 Standard :: Free 来代替。另外，原来使用 realloc 的地方使用 Standard :: Reallocate 来代替即可。
在 C ++中， operator new 和 delete 都重新定义以便使用 Open Cascade 的内存管理器。定义代码如下所示：
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);
}
上述代码是将 operator new 和 delete 及 placement new 都重新定义了，这样的类的 new 和 delete 都将由 Open Cascade 的内存管理器来管理。
CDL extractor 为在其中所有类都采用这种方式来重新定义 operator new 和 delete ，这样 Open Cascade 所有的类（少数除外）都是使用 Open Cascade 的内存管理器来管理。
2． 配置内存管理器 Configuring memory manager
Open CASCADE 内存管理器可以配置，按不同的优化方式来分配内存，主要还是看需要分配内存的大小，或者不使用内存优化而直接使用 malloc 和 free 。
配置方式为设置如下环境变量的值：
l MMGT _ OPT ：若设置为 1 （默认值也是为 1 ），内存管理器将使用内存优化的方式来管理内存；若设置为 0 ，则内存的分配就是直接调用 C 的函数 malloc 和 free 来对内存进行管理，此时，所有其它选项除了 MMGT _ CLEAR 外都将被忽略。若设置为 2 ，则会使用 Intel 的 TBB 来对内存的分配进行优化，此时需要有 TBB 的库。
l MMGT _ CLEAR ：若设置为 1 （默认值也是为 1 ），分配的内存块将被清零；若设置为 0 ，则内存块将以分配时的值返回。
l MMGT _ CELLSIZE ：定义了内存池中可分配内存块的最大值。默认值为 200 。
l MMGT _ NBPAGES ：定义了页面上可分配的小的内存块的数量，默认值为 1000 。
l MMGT _ THRESHOLD ：定义了循环利用的而不是返回给堆的内存块的数量，默认值为 4000 。
l MMGT _ MMAP ：若设置为 1 （默认值也是为 1 ），大内存块的分配将会使用操作系统的内存映射函数。若设置为 0 ，内存的分配将会直接使用 malloc 直接在堆上分配。
l MMGT _ REENTRANT ：若设置为 1 （默认值为 0 ），所有调用内存优化的函数将会被保证安全，即使有多个不同的线程。当在使用内存优化管理（ MMGT _ OPT = 1 ）内存及多线程的程序时，这个值需要设置为 1 。
注：为了使用 Open Cascade 在多线程的程序中表现出更好的性能，推荐如下两种设置方式：
l MMGT _ OPT = 0
l MMGT _ OPT = 1 and MMGT _ REENTRANT = 1
3． 程序实现 Implementation details
类 Standard _ MMgrRoot 为内存管理器的抽象类，它定义了内存分配的释放的虚函数。通过环境变量 MMGT _ OPT 来选择不同的内存管理类，如下代码所示：
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;
}
当 MMGT _ OPT 设置为 1 时，将会使用类 Standard _ MMgrOpt 来对内存的分配与释放进行优化。优化方法如下：
l 小型内存块（小于 MMGT _ CELLSIZE 的内存）不是单独分配。而是分配一个大的内存池（每个内存池的大小是 MMGT _ NBPAGES ），每个新建内存都被安排在当前的内存池中空闲的地方。若当前内存池被占满，则分配另一个内存池。在当前的版本中，内存池不会返回给系统（直到程序结束）。然而，调用函数 Standard :: Free ()被释放的内存块会被 free 列表记录，以便在下一个相同大小的内存块分配时重新利用（循环使用）。
l 中型内存块（大小在 MMGT _ CELLSIZE 和 MMGT _ THRESHOLD 之间的内存块）由 C 的函数 malloc 和 free 直接管理。当这样的内存块被调用函数 Standard :: Free 释放时，它们也像小型内存块那样被循环使用。与小型内存块不同的是，被释放的 free 列表中包含的中型内存块可以通过函数 Standard :: Purge ，使其返回到堆中。
l 大型内存块（大于 MMGT _ THRESHOLD 的内存块，包含用于管理小型内存块的内存池）的分配取决于 MMGT _ MMAP 的值：若为 0 ，这些内存块在堆中分配；否则，将会使用操作系统的专用的管理内存映射文件的函数来分配。当使用 Standard :: Free 来释放大型内存块时，大型内存块立即返回给系统。
4． 利与弊 Benefits and drawbacks
Open Cascade 使用内存管理器的最大好处就是其对小型内存块的循环使用机制。当程序需要对大量小型内存块进行分配与释放时，这种机制使程序速度更快。实践表明，使用这种方式程序的性能可以提高 50 %以上。
相应的弊端就是循环使的内存在程序运行时不会返回给系统。这就可能导致大量的内存消耗，甚至可能导致内存泄露。为了避免这种情况，应该在大量使内存的操作结束后调用函数 Standard :: Purge 。
使用 Open Cascade 的内存管理器（ Memory Manager ）导致的所有的内存开销有：
l 分配的每个内存块的大小都会以 8 个字节向上取整。（看其源代码应该是以的个字节向上取整，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 额外的 4 个字节（在 64 位的操作系统上是 8 个字节）将在每个内存块的开始部分分配，用来保存其大小（或用来保存下一个可用的内存块的地址），只在 MMGT _ OPT 为 1 时有效。
所以不管 Open Cascade 的内存管理器以优化方式还是标准方式来管理内存，内存总的消耗都将会大一些。
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