堆：欢乐和痛苦

Murali R. Krishnan
Microsoft Corporation

1999 年 2 月

摘要： 讨论常见的堆性能问题以及如何防范它们。（共 9 页）

前言

您是否是动态分配的 C/C++ 对象忠实且幸运的用户？您是否在模块间的往返通信中频繁地使用了“自动化”？您的程序是否因堆分配而运行起来很慢？不仅仅您遇到这样的问题。几乎所有项目迟早都会遇到堆问题。大家都想说，“我的代码真正好，只是堆太慢”。那只是部分正确。更深入理解堆及其用法、以及会发生什么问题，是很有用的。

什么是堆？

（如果您已经知道什么是堆，可以跳到“什么是常见的堆性能问题？”部分）

在程序中，使用堆来动态分配和释放对象。在下列情况下，调用堆操作：

1. 事先不知道程序所需对象的数量和大小。
   
   
2. 对象太大而不适合堆栈分配程序。

堆使用了在运行时分配给代码和堆栈的内存之外的部分内存。下图给出了堆分配程序的不同层。

GlobalAlloc/GlobalFree：Microsoft Win32 堆调用，这些调用直接与每个进程的默认堆进行对话。

LocalAlloc/LocalFree：Win32 堆调用（为了与 Microsoft Windows NT 兼容），这些调用直接与每个进程的默认堆进行对话。

COM 的 IMalloc 分配程序（或 CoTaskMemAlloc / CoTaskMemFree）：函数使用每个进程的默认堆。自动化程序使用“组件对象模型 (COM)”的分配程序，而申请的程序使用每个进程堆。

C/C++ 运行时 (CRT) 分配程序：提供了 malloc() 和 free() 以及 new 和 delete 操作符。如 Microsoft Visual Basic 和 Java 等语言也提供了新的操作符并使用垃圾收集来代替堆。CRT 创建自己的私有堆，驻留在 Win32 堆的顶部。

Windows NT 中，Win32 堆是 Windows NT 运行时分配程序周围的薄层。所有 API 转发它们的请求给 NTDLL。

Windows NT 运行时分配程序提供 Windows NT 内的核心堆分配程序。它由具有 128 个大小从 8 到 1,024 字节的空闲列表的前端分配程序组成。后端分配程序使用虚拟内存来保留和提交页。

在图表的底部是“虚拟内存分配程序”，操作系统使用它来保留和提交页。所有分配程序使用虚拟内存进行数据的存取。

分配和释放块不就那么简单吗？为何花费这么长时间？

堆实现的注意事项

传统上，操作系统和运行时库是与堆的实现共存的。在一个进程的开始，操作系统创建一个默认堆，叫做“进程堆”。如果没有其他堆可使用，则块的分配使用“进程堆”。语言运行时也能在进程内创建单独的堆。（例如，C 运行时创建它自己的堆。）除这些专用的堆外，应用程序或许多已载入的动态链接库 (DLL) 之一可以创建和使用单独的堆。Win32 提供一整套 API 来创建和使用私有堆。有关堆函数（英文）的详尽指导，请参见 MSDN。

当应用程序或 DLL 创建私有堆时，这些堆存在于进程空间，并且在进程内是可访问的。从给定堆分配的数据将在同一个堆上释放。（不能从一个堆分配而在另一个堆释放。）

在所有虚拟内存系统中，堆驻留在操作系统的“虚拟内存管理器”的顶部。语言运行时堆也驻留在虚拟内存顶部。某些情况下，这些堆是操作系统堆中的层，而语言运行时堆则通过大块的分配来执行自己的内存管理。不使用操作系统堆，而使用虚拟内存函数更利于堆的分配和块的使用。

典型的堆实现由前、后端分配程序组成。前端分配程序维持固定大小块的空闲列表。对于一次分配调用，堆尝试从前端列表找到一个自由块。如果失败，堆被迫从后端（保留和提交虚拟内存）分配一个大块来满足请求。通用的实现有每块分配的开销，这将耗费执行周期，也减少了可使用的存储空间。

Knowledge Base 文章 Q10758，“用 calloc() 和 malloc() 管理内存” （搜索文章编号）, 包含了有关这些主题的更多背景知识。另外，有关堆实现和设计的详细讨论也可在下列著作中找到：“Dynamic Storage Allocation: A Survey and Critical Review”，作者 Paul R. Wilson、Mark S. Johnstone、Michael Neely 和 David Boles；“International Workshop on Memory Management”, 作者 Kinross, Scotland, UK, 1995 年 9 月(http://www.cs.utexas.edu/users/oops/papers.html)（英文）。

Windows NT 的实现（Windows NT 版本 4.0 和更新版本） 使用了 127 个大小从 8 到 1,024 字节的 8 字节对齐块空闲列表和一个“大块”列表。“大块”列表（空闲列表[0]） 保存大于 1,024 字节的块。空闲列表容纳了用双向链表链接在一起的对象。默认情况下，“进程堆”执行收集操作。（收集是将相邻空闲块合并成一个大块的操作。）收集耗费了额外的周期，但减少了堆块的内部碎片。

单一全局锁保护堆，防止多线程式的使用。（请参见“Server Performance and Scalability Killers”中的第一个注意事项, George Reilly 所著，在 “MSDN Online Web Workshop”上（站点：http://msdn.microsoft.com/workshop/server/iis/tencom.asp（英文）。）单一全局锁本质上是用来保护堆数据结构，防止跨多线程的随机存取。若堆操作太频繁，单一全局锁会对性能有不利的影响。

什么是常见的堆性能问题？

以下是您使用堆时会遇到的最常见问题：

• 分配操作造成的速度减慢。光分配就耗费很长时间。最可能导致运行速度减慢原因是空闲列表没有块，所以运行时分配程序代码会耗费周期寻找较大的空闲块，或从后端分配程序分配新块。
  
  
• 释放操作造成的速度减慢。释放操作耗费较多周期，主要是启用了收集操作。收集期间，每个释放操作“查找”它的相邻块，取出它们并构造成较大块，然后再把此较大块插入空闲列表。在查找期间，内存可能会随机碰到，从而导致高速缓存不能命中，性能降低。
  
  
• 堆竞争造成的速度减慢。当两个或多个线程同时访问数据，而且一个线程继续进行之前必须等待另一个线程完成时就发生竞争。竞争总是导致麻烦；这也是目前多处理器系统遇到的最大问题。当大量使用内存块的应用程序或 DLL 以多线程方式运行（或运行于多处理器系统上）时将导致速度减慢。单一锁定的使用―常用的解决方案―意味着使用堆的所有操作是序列化的。当等待锁定时序列化会引起线程切换上下文。可以想象交叉路口闪烁的红灯处走走停停导致的速度减慢。

  竞争通常会导致线程和进程的上下文切换。上下文切换的开销是很大的，但开销更大的是数据从处理器高速缓存中丢失，以及后来线程复活时的数据重建。

• 堆破坏造成的速度减慢。造成堆破坏的原因是应用程序对堆块的不正确使用。通常情形包括释放已释放的堆块或使用已释放的堆块，以及块的越界重写等明显问题。（破坏不在本文讨论范围之内。有关内存重写和泄漏等其他细节，请参见 Microsoft Visual C++(R) 调试文档 。）
  
  
• 频繁的分配和重分配造成的速度减慢。这是使用脚本语言时非常普遍的现象。如字符串被反复分配，随重分配增长和释放。不要这样做，如果可能，尽量分配大字符串和使用缓冲区。另一种方法就是尽量少用连接操作。

竞争是在分配和释放操作中导致速度减慢的问题。理想情况下，希望使用没有竞争和快速分配/释放的堆。可惜，现在还没有这样的通用堆，也许将来会有。

在所有的服务器系统中（如 IIS、MSProxy、DatabaseStacks、网络服务器、 Exchange 和其他）, 堆锁定实在是个大瓶颈。处理器数越多，竞争就越会恶化。

尽量减少堆的使用

现在您明白使用堆时存在的问题了，难道您不想拥有能解决这些问题的超级魔棒吗？我可希望有。但没有魔法能使堆运行加快―因此不要期望在产品出货之前的最后一星期能够大为改观。如果提前规划堆策略，情况将会大大好转。调整使用堆的方法，减少对堆的操作是提高性能的良方。

如何减少使用堆操作？通过利用数据结构内的位置可减少堆操作的次数。请考虑下列实例：

struct ObjectA {   // objectA 的数据 }struct ObjectB {   // objectB 的数据 }// 同时使用 objectA 和 objectB//// 使用指针 //struct ObjectB {   struct ObjectA * pObjA;   // objectB 的数据 }//// 使用嵌入//struct ObjectB {   struct ObjectA pObjA;   // objectB 的数据 }//// 集合 ?C 在另一对象内使用 objectA 和 objectB//struct ObjectX {   struct ObjectA  objA;   struct ObjectB  objB;}

1. 避免使用指针关联两个数据结构。如果使用指针关联两个数据结构，前面实例中的对象 A 和 B 将被分别分配和释放。这会增加额外开销―我们要避免这种做法。
   
   
2. 把带指针的子对象嵌入父对象。当对象中有指针时，则意味着对象中有动态元素（百分之八十）和没有引用的新位置。嵌入增加了位置从而减少了进一步分配/释放的需求。这将提高应用程序的性能。
   
   
3. 合并小对象形成大对象（聚合）。聚合减少分配和释放的块的数量。如果有几个开发者，各自开发设计的不同部分，则最终会有许多小对象需要合并。集成的挑战就是要找到正确的聚合边界。
   
   
4. 内联缓冲区能够满足百分之八十的需要（aka 80-20 规则）。个别情况下，需要内存缓冲区来保存字符串/二进制数据，但事先不知道总字节数。估计并内联一个大小能满足百分之八十需要的缓冲区。对剩余的百分之二十，可以分配一个新的缓冲区和指向这个缓冲区的指针。这样，就减少分配和释放调用并增加数据的位置空间，从根本上提高代码的性能。
   
   
5. 在块中分配对象（块化）。块化是以组的方式一次分配多个对象的方法。如果对列表的项连续跟踪，例如对一个 {名称，值} 对的列表，有两种选择：选择一是为每一个“名称-值”对分配一个节点；选择二是分配一个能容纳（如五个）“名称-值”对的结构。例如，一般情况下，如果存储四对，就可减少节点的数量，如果需要额外的空间数量，则使用附加的链表指针。

   块化是友好的处理器高速缓存，特别是对于 L1-高速缓存，因为它提供了增加的位置 ―不用说对于块分配，很多数据块会在同一个虚拟页中。

6. 正确使用 _amblksiz。C 运行时 (CRT) 有它的自定义前端分配程序，该分配程序从后端（Win32 堆）分配大小为 _amblksiz 的块。将 _amblksiz 设置为较高的值能潜在地减少对后端的调用次数。这只对广泛使用 CRT 的程序适用。

使用上述技术将获得的好处会因对象类型、大小及工作量而有所不同。但总能在性能和可升缩性方面有所收获。另一方面，代码会有点特殊，但如果经过深思熟虑，代码还是很容易管理的。

其他提高性能的技术

下面是一些提高速度的技术：

1. 使用 Windows