C++ 对象内存消耗

Question

首先：这个问题不是关于“如何使用删除运算符”，而是关于“为什么许多小尺寸的类对象会消耗大量内存”。假设我们有这段代码：

class Foo
{

};

void FooTest()
{
    int sizeOfFoo = sizeof(Foo);

    for (int i = 0; i < 10000000; i++)
        new Foo();
}

空类 Foo 的大小为 1 字节，但执行代码时会消耗大约 600Mb 内存。怎么样？

更新。我已经在 Visual Studio 2010 中的 Win10 x64 上对此进行了测试。来自操作系统任务管理器的内存使用情况。

Answer 1

Foo 类的大小可能为 1 个字节，但由于您单独分配了许多 Foos，它们可以（并且可能确实）在某些字节对齐的地址上分配，并且由于碎片消耗的内存比您预期的要多。

此外，还有内部内存管理系统使用的内存。

Answer 2

C++ 堆管理器有 4 种不同的“模式”，它在对象周围保留更少或更多的空间。这些是

1. 释放模式，正常运行
2. 发布模式，在调试器下运行
3. 调试模式，正常运行
4. 调试模式，在调试器下运行

额外的内存用于无人区 (0xFDFDFDFD)、对齐 16 字节边界 (0xBAADF00D)、堆管理等。

我建议阅读 this post 并在调试器中查看 4 个场景，打开原始内存视图。你会学到很多东西。对于情况 1 和 3，插入一个暂停，您可以将调试器附加到正在运行的进程，而在情况 2 和 4 中，您应该先运行调试器，然后从那里启动可执行文件。

我曾经在解释缓冲区溢出时演示 C++ 堆的工作原理。这是一个您可以使用的演示程序，并不完美，但可能有用：

#include "stdafx.h"
#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <stdio.h>
void SimpleBufferOverrunDemo( int argc, _TCHAR* argv[] ) ;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    SimpleBufferOverrunDemo(argc, argv);

    getchar();
    return 0;
}

void SimpleBufferOverrunDemo( int argc, _TCHAR* argv[] ) 
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cout << "You have to provide an argument!\n";
        return;
    }

    // Allocate 5 bytes
    byte* overrunBuffer = new byte[5];

    // Demo 1: How does the memory look after delete? Uncomment the following to demonstrate
    //delete [] overrunBuffer; //0xfeeefeee in debug mode.
    //DebugBreak();

    // Demo 2: Comment Demo 1 again. 
    // Provide a 5 byte sequence as argument
    // Attach with WinDbg and examine the overrunBuffer.

    // 2.1. How many heaps do we have?
    // !heap -s

    // 2.2. How to find the heap block and how large is it?
    // !heap -x [searchAddress]
    // !heap -i [blockAddress] -> Wow 72 bytes block size for 5 allocated bytes!

    // 2.3. Show that _HEAP_ENTRY does not work any more.

    // Demo 3: Write behind the 5 allocated bytes.
    // Provide more than 5 bytes as argument, depending on how what you want to destroy
    // 3.1 Write into the no mans land.
    // 3.2 Write into the guard bytes.
    // 3.3 Write into the meta data section of the following heap block! -> When does it crash?

    std::wstring arg = argv[1];

    for (size_t i = 0; i < arg.size(); i++)
    {
        overrunBuffer[i] = (byte)arg[i];
    }

    // Crash happens not where it was caused(!) This is important!
    std::cout << "Now we do a plenty of other work ...";
    ::Sleep(5000);

    delete[] overrunBuffer;

    // Demo 4: Demonstrate page heap / application verifier!
}

Answer 3

您必须知道，从操作系统的角度来看，进程消耗的内存不仅与代码中分配的对象有关。

这是严重依赖于实现的东西，但一般来说，出于性能原因，内存分配很少一对一地传递给操作系统，而是pooled via the management 的免费存储。大体原理如下：

• 在程序启动时，您的 C++ 实现将为空闲存储和堆分配一些初始空间。
• 当此内存被消耗并需要新内存时，内存管理将向操作系统请求更大的块并在空闲存储中提供这些块。
• 从操作系统请求的块大小可能会根据分配模式自行调整。

因此，从任务管理器中查看的 600MB 来看，可能只有一小部分有效分配给您的对象，而更大的部分实际上仍然是免费的，并且可以在免费存储中使用。

话虽如此，消耗的内存将大于大小 x 对象数量：对于每个分配的对象，内存管理函数必须管理一些附加信息（如分配对象的大小）。同样，如果空闲块不连续，空闲内存池也需要指针（通常是链表）来跟踪空闲块。

Answer 4

关于 Windows 的非常有趣的帖子。

作为比较，在 Ubuntu 15.10(64) 上：

int t407(void)
{
   std::cout << "\nsizeof(Foo): " << sizeof(Foo) << std::endl;

   std::cout << "\nsizeof(Foo*): " << sizeof(Foo*) << std::endl;

   std::vector<Foo>  fooVec;
   fooVec.reserve(10000000);
   for (size_t i=0; i<10000000; ++i)
   {
      Foo t;
      fooVec.push_back(t);
   }
   std::cout << "\nfooVec.size(): " << fooVec.size() 
             << " elements" << std::endl
             << "fooVec.size() * sizeof(Foo): " 
             << fooVec.size() * sizeof(Foo) << " bytes" << std::endl
             << "sizeof(fooVec): " << sizeof(fooVec) 
             << " bytes (on stack)" << std::endl;

   return(0);
}

有输出：

 sizeof(Foo): 1

 sizeof(Foo*): 8

 fooVec.size(): 10000000 elements 
 fooVec.size() * sizeof(Foo): 10000000 bytes
 sizeof(fooVec): 24 bytes (on stack)