C语言基本功教程系列(4) - 高效无错的内存访问

大家周末好，希望一个星期的学习和工作没能把大家累垮，这样又可以在这里听Aear在这里讲废话了。这个周末的主题就是内存访问，主要是谈谈写程序时候关于使用内存的技巧，以及一些应该注意的地方。 ================分割线================== 首先说说动态内存分配。在c语言里用的最多的是malloc和free,在c++则是new new[] delete 和delete[]. 这几个函数是动态内存分配的基础，最常用但也是最占用CPU资源的系统调用之一.而且在大量使用以后很容易造成内存的碎片。如果系统内存中的碎片太多，就会在分配大块内存的时候失败或者只能在虚拟内存上分配内存，这就是为什么有些程序在运行了2，3个小时以后很容易速度不稳定和容易崩溃的原因。另外一个重要的因素就是程序员在写程序的时候，经常会分配了内存而忘记释放。特别是写超过 10W行代码的时候往往忘记了在哪里分配了内存. 所以内存的管理对于游戏的稳定性是非常重要的问题，毕竟大家都是动不动玩上10个小时不休息的主。 目前比较流行的解决方法就是在系统提供的内存分配函数上面，写自己的内存管理函数。在C语言里重写malloc和free,对每个内存的分配和使用情况做跟踪记录。在C++里则是重载操作符 new和delete. 通过提供自己的库，可以很容易检测到memory leakage. 通过在程序开始的时候从操作系统分配到一块足够大的内存，在此基础上进行内存管理，还可以有效的防止内存泄漏，并且还可以支持对象复用技术，提高游戏的速度和稳定性。当然，你也可以使用一些memory leakage的检测工具来检查内存使用情况(比如 firefox memory leakage detection tool 或者 Visual leak detector)。 实际上，在游戏程序设计中，很少使用动态的内存分配，大部分的内存都是事先分配好的。即使是链表或者是树这一类的数据结构，也是用数组进行有效的模拟。 ================分割线================== 下面说点代码里边应该注意的问题。在相关内存相关的注意事项中，排在第一位的是内存对齐问题。也就是说，一块内存的首地址，必须要能被2，4，8，16，32 或者64整除。 不同的CPU对于这个数字有不同的需要。 针对Intel最新发布的 Pentium Dual Core系列 Xenon系列，以及早些日子的 Pentium 4系列。推荐使用64 Bytes或者 128 Bytes的内存对齐。 因为在Pentium4 系列用，每当程序要进行内存访问的时候，CPU的一个预处理模块(Prefetch)会事先把内存中的数据读到Level1 cache中，并且每次读入的数据量是 64个 bytes(Pentium Xenon系列是128 bytes)。 如果没有进行内存对齐， 比如一个int占用4字节，第一个字节在前64bytes中，后3个字节在后64bytes中，那么CPU在读取这个int的时候就需要多从内存中拿一次数据， 会大大增加代码的运行时间。让我们看下例子： __declspec(align(64)) int test[128];       // 64字节对齐 int * pInt = (int *)((char *)test + 1);     // 没有对齐的指针 int * pInt2 = test;                               // 对齐的指针 int f1(void) { int i, k=0; for(i = 0; i < 16; i++) k+=pInt; return k; } int f2(void) { int i, k=0; for(i = 0; i < 16; i++) k+=pInt2; return k; } 对照附件中的 VTune的测试结果(见附件1)，我们可以看出非64bytes对齐的运行时间（clockticks值），几乎是对齐内存的运行时间的3倍。所以在使用动态或者静态内存的时候，最好注意内存的字对齐问题。在Visual Studio .Net中，可以用 __declspec(align(64))对静态变量，数组或者结构进行内存对齐。动态内存分配可以使用_aligned_malloc() 和 _aligned_free(). 这些内存对齐的问题，当前的编译器一般都会帮你优化，但是如果要写自己的内存管理函数，就需要分外注意了。 ================分割线================== 下面说一下结构数组问题。经常我们会用到结构数组，形式如下： struct MyStructure{     int FirstNumber;     int SecondNumber;     int ThiredNumber;     int FourthNumber; }  StructureArray[100]; 这种类型的数据结构，还有另外一种组织的方式，那就是数组结构，形式如下： struct MyStructure{     int FirstNumber[100];     int SecondNumber[100];     int ThridNumber[100];     int FourthNumber[100]; } ArrayStructure; 至于这两种形式用哪种好，要根据具体情况来判断。一般来说，如果要对所有结构中的同一个成员进行连续的访问，比如要求100个结构中所有FirstNumber的和，使用第2种形式会快很多。如果要分别求出每个结构所有成员的和，第一种形式要快很多。 ===========求所有结构第一个成员的和========== // 错误的选择 for(i = 0; i < 100; i++) Sum += StructureArray.FirstNumber; // 正确的选择 for(i = 0; i < 100; i++) Sum += ArrayStructure.FirstNumber; ============求每个结构所有成员的和=========== // 错误的选择 for(i = 0; i < 100; i++)     Sum =    ArrayStructure.FirstNumber               + ArrayStructure.SecondNumber               + ArrayStructure.ThirdNumber               + ArrayStructure.FourthNumber;    // 正确的选择 for(i = 0; i < 100; i++)     Sum =    StructureArray.FirstNumber               + StructureArray.SecondNumber               + StructureArray.ThirdNumber               + StructureArray.FourthNumber; 我想道理不用多说大家也明白了吧, 具体到程序设计中要根据哪种操作用的多来决定数据的组织方式。 关于内存访问，还有很多很多需要注意的事项，比如aliasing问题，store forward问题等等，建议大家去参考intel关于pentium的文档.