Windows内存机制解析(二)
by leezy_2000
2003-10-8 17:01
三、浅谈一下Heap
(鉴于Matt Pietrek在它的《Windows 95 系统程式设计大奥秘》对9x系统的heap做了非常详细的讲解，此处涉及的内容将仅限于Win2000)
Heap与Stack正好相反，你需要手动来管理每一块内存的申请和释放（在没有垃圾收集机制的情况下），而对于C/C++程序员来说，操作Heap的方式实在是太多了点。下面是几乎所有可以操作堆内存的方法的列表:
malloc/free
new/delete
GlobalAlloc/GlobalFree
LocalAlloc/LocalFree
HeapAlloc/HeapFree
其中malloc/free由运行时库提供，new/delete为C++内置的操作符。他们都使用运行时库的自己的堆。运行时库的在2000和win9x下都有自己独立的堆。这也就意味着只要你一启动进程，你将至少有两个堆，一个作为进程缺省，一个给C/C++运行时库。
GlobalAlloc/GlobalFree和LocalAlloc/LocalFree现在已失去原有的含义，统统从进程缺省堆中分配内存。
HeapAlloc/HeapFree则从指定的堆中分配内存。
单就分配内存而言（new/delete还要管构造和析构），所有这些方式最终要归结到一点2000和98下都是是HeapAlloc。所以微软才会强调GlobalAlloc/GlobalFree和LocalAlloc/LocalFree会比较慢，推荐使用HeapAlloc，但由于Global**和Local**具有较简单的使用界面，因此即使在微软所提供的源代码中他们仍被大量使用。必须指出的是HeapAlloc并不在kernel32.dll中拥有自己的实现，而是把所有调用转发到ntdll.RtlAllocateHeap。下面这张从msdn中截取的图（图2），应该有助于我们理解同堆相关的API。
堆内部的运作同SGI STL的分配器有些类似，大体上是这样，OS为每个堆维护几个链表，每个链表上存放指定大小范围的区块。当你分配内存时，操作系统根据你所提供的尺寸，先确定从那个链表中进行分配，接下来从那个链表中找到合适的块，并把其线性地址返还给你。如果你所要求的尺寸，在现存的区块中找不到，那么就新分配一块较大的内存（使用VirtualAlloc），再对他进行切割，而后向你返还某一区块的线性地址。这只是一个大致的情形，操作系统总在不停的更新自己的堆算法，以提高堆操作的速度。
堆本身的信息（包括标志位和链表头等）被存放在Heap Header中，而堆句柄正是指向Heap Header的指针，Heap Header的结构没有公开，稍后我们将试着做些分析。非常有趣的是微软一再强调只对toolhelp API有效的HeapID其实就是堆句柄。
原来是准备分析一下堆内部的一些结构的，可后来一想这么做实用价值并不是很大，所需力气却不小。因此也就没具体进行操作。但这里把实现监测堆中各种变化的小程序的实现思路公开一下，希望对大家有所帮助。这个小程序非常的简单，主要完成的任务就是枚举进程内所有的堆的变化情况。由于涉及到比较两个链表的不同，这里使用了STL的vector容器和某些算法来减少编码。同时为了使STL的内存使用不对我们要监测的对象产生干扰，我们需要建立自己的分配器，以使用我们单独创建的堆。此外还需要特别注意的一点是由于toolhelp API Heap32Next在运行过程中不允许对任何堆进行扰动（否则他总返回TRUE）,导致我们只能使用vector，并预先保留足够的空间。（访问堆内部某些信息的另一种方式是使用HeapWalk API,看个人喜好了）。
程序的运行过程是这样的，先对当前进程中存在的堆进行枚举，并把结果存入一个set类型的变量heapid1，接下来创建自己的堆给分配器使用，并对进程中存在的堆再次进行枚举并把结果存入另一个set类型的变量heapid2，这样就可以调用set_difference求出我们新建堆的ID，再以后列举队内部的信息时将排除这个ID所表示的堆。接下来就可以在两点之间分别把堆内部的信息存入相应的vector，比较这两个vector，就可以得到对应于分配内存操作，堆内部的变化情况了。
(图2 from msdn by Murali R. Krishnan)
下面是一些悬而未决的问题，那位感兴趣可以自己探索。
Heap Header结构是什么样的？
堆内部对内存块的组织方式？（是链表么）
每一个小块的描述信息在那里?(如果是链表，那就应该有指针使这些小块彼此相连。)
