windows 堆管理

windows堆管理是建立在虚拟内存管理的基础之上的，每个进程都有独立的4GB的虚拟地址空间，其中有2GB的属于用户区，保存的是用户程序的数据和代码，而系统在装载程序时会将这部分内存划分为4个段从低地址到高地址依次为静态存储区，代码段，堆段和栈段，其中堆的生长方向是从低地址到高地址，而栈的生长方向是从高地址到低地址。

程序申请堆内存时，系统会在虚拟内存的基础上分配一段内存，然后记录下来这块的大小和首地址，并且在对应内存块的首尾位置各有相应的数据结构，所以在堆内存上如果发生缓冲区溢出的话，会造成程序崩溃，这部分没有硬件支持，所有管理算法都有开发者自己设计实现。

堆内存管理的函数主要有HeapCreate、HeapAlloc、HeapFree、HeapRealloc、HeapDestroy、HeapWalk、HeapLock、HeapUnLock。下面主要通过一些具体的操作来说明这些函数的用法。

堆内存的分配与释放

堆内存的分配主要用到函数HeapAlloc，下面是这个函数的原型：

LPVOID HeapAlloc(
  HANDLE hHeap, //堆句柄，表示在哪个堆上分配内存
  DWORD dwFlags, //分配的内存的相关标志
  DWORD dwBytes //大小
);

堆句柄可以使用进程默认堆也可以使用用户自定义的堆，自定义堆使用函数HeapCreate，函数返回堆的句柄，使用GetProcessHeap可以获取系统默认堆，返回的也是一个堆句柄。分配内存的相关标志有这样几个值：

HEAP_NO_SERIALIZE：这个表示对堆内存不进行线程并发控制，由于系统默认会进行堆的并发控制，防止多个线程同时分配到了同一个堆内存，如果程序是单线程程序则可以添加这个选项，适当提高程序运行效率。

HEAP_ZERO_MEMORY：这个标志表示在分配内存的时候同时将这块内存清零。

HeapCreate函数的原型如下：

HANDLE HeapCreate(
  DWORD flOptions, //堆的相关属性
  DWORD dwInitialSize, //堆初始大小
  DWORD dwMaximumSize //堆所占内存的最大值
);

flOptions的取值如下：

HEAP_NO_SERIALIZE：取消并发控制

HEAP_SHARED_READONLY：其他进程可以以只读属性访问这个堆

dwInitialSize， dwMaximumSize这两个值如果都是0，那么堆内存的初始大小由系统分配，并且堆没有上限，会根据具体的需求而增长。下面是使用的例子：

    //在系统默认堆中分配内存
    srand((unsigned int)time(NULL));
    HANDLE hHeap = GetProcessHeap();
    int nCount = 1000;
    float *pfArray = (float *)HeapAlloc(hHeap, HEAP_ZERO_MEMORY | HEAP_NO_SERIALIZE, nCount * sizeof(float));
    for (int i = 0; i < nCount; i++)
    {
        pfArray[i] = 1.0f * rand();
    }

    HeapFree(hHeap, HEAP_NO_SERIALIZE, pfArray);

    //在自定义堆中分配内存
    hHeap = HeapCreate(HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS, 0, 0);
    pfArray = (float *)HeapAlloc(hHeap, HEAP_ZERO_MEMORY | HEAP_NO_SERIALIZE, nCount * sizeof(float));
    for (int i = 0; i < nCount; i++)
    {
        pfArray[i] = 1.0f * rand();
    }

    HeapFree(hHeap, HEAP_NO_SERIALIZE, pfArray);
    HeapDestroy(hHeap);

遍历进程中所有堆的信息：

便利堆的信息主要用到函数HeapWalk，该函数的原型如下：

BOOL WINAPI HeapWalk(
  __in          HANDLE hHeap,//堆的句柄
  __in_out      LPPROCESS_HEAP_ENTRY lpEntry//返回堆内存的相关信息
);

下面是PROCESS_HEAP_ENTRY的原型：

typedef struct _PROCESS_HEAP_ENTRY {
    PVOID lpData;
    DWORD cbData;
    BYTE cbOverhead;
    BYTE iRegionIndex;
    WORD wFlags;
    union {
        struct {
            HANDLE hMem;
            DWORD dwReserved[3];
            } Block;
        struct {
            DWORD dwCommittedSize;
            DWORD dwUnCommittedSize;
            LPVOID lpFirstBlock;
            LPVOID lpLastBlock;
            } Region;
        };
} PROCESS_HEAP_ENTRY,  *LPPROCESS_HEAP_ENTRY;

这个结构中的公用体具体使用哪个与wFlags相关，下面是这些值得具体含义：

wFlags	堆入口含义	lpData	cbData	cbOverhead块前堆数据结构大小	iRegionIndex	Block	Region
PROCESS_HEAP_ENTRY_BUSY	被分配的内存块	首地址	内存块大小	内存块前堆数据结构	所在区域索引	无意义	无意义
PROCESS_HEAP_ENTRY_DDESHARE	DDE共享内存块	首地址	内存块大小	内存块前堆数据结构	所在区域索引	无意义	无意义
PROCESS_HEAP_ENTRY_MOVEABLE	可移动的内存块(兼容GlobalAllocLocalAlloc）	首地址（可移动内存句柄的首地址）	内存块大小	内存块前堆数据结构	所在区域索引	与PROCESS_HEAP_ENTRY_BUSY标志一同指定可移动内存句柄值	无意义
PROCESS_HEAP_REGION	已提交的堆虚拟内存区域	区域开始地址	区域大小	区域前堆数据结构	区域索引	无意义	虚拟内存区域详细信息
PROCESS_HEAP_UNCOMMITTED_RANGE	未提交的堆虚拟内存区域	区域开始地址	区域大小	区域前堆数据结构	区域索引	无意义	无意义

下面是时遍历堆内存的例子：

    PHANDLE pHeaps = NULL;
    //当传入的参数为0和NULL时，函数返回进程中堆的个数
    int nCount = GetProcessHeaps(0, NULL);
    pHeaps = new HANDLE[nCount];
    //获取进程所有堆句柄
    GetProcessHeaps(nCount, pHeaps);
    PROCESS_HEAP_ENTRY phe = {0};
    for (int i = 0; i < nCount; i++)
    {
        cout << "Heap handle: 0x" << pHeaps[i] << '\n';
        //在读取堆中的相关信息时需要将堆内存锁定，防止程序向堆中写入数据
        HeapLock(pHeaps[i]);
        HeapWalk(pHeaps[i], &phe);
        //输出堆信息
        cout << "\tSize: " << phe.cbData << " - Overhead: "
            << static_cast<DWORD>(phe.cbOverhead) << '\n';
        cout << "\tBlock is a";
        if(phe.wFlags & PROCESS_HEAP_REGION)
        {
            cout << " VMem region:\n";
            cout << "\tCommitted size: " << phe.Region.dwCommittedSize << '\n';
            cout << "\tUncomitted size: " << phe.Region.dwUnCommittedSize << '\n';
            cout << "\tFirst block: 0x" << phe.Region.lpFirstBlock << '\n';
            cout << "\tLast block: 0x" << phe.Region.lpLastBlock << '\n';
        }
        else
        {
            if(phe.wFlags & PROCESS_HEAP_UNCOMMITTED_RANGE)
            {
                cout << "n uncommitted range\n";
            }
            else if(phe.wFlags & PROCESS_HEAP_ENTRY_BUSY)
            {
                cout << "n Allocated range: Region index - "
                    << static_cast<unsigned>(phe.iRegionIndex) << '\n';
                if(phe.wFlags & PROCESS_HEAP_ENTRY_MOVEABLE)
                {
                    cout << "\tMovable: Handle is 0x" << phe.Block.hMem << '\n';
                }
                else if(phe.wFlags & PROCESS_HEAP_ENTRY_DDESHARE)
                {
                    cout << "\tDDE Sharable\n";
                }
            }
            else cout << " block, no other flags specified\n";
        }
        cout << std::endl;
        HeapUnlock(pHeaps[i]);
        ZeroMemory(&phe, sizeof(PROCESS_HEAP_ENTRY));
    }
    delete[] pHeaps;

另外堆还有其他操作，比如使用HeapSize获取分配的内存大小，使用HeapValidate可以校验一个对内存的完整性,从而提早发现”野指针”等等。