最近工作中，經(jīng)歷了很多項目問題的調(diào)試，把這些問題歸總起來，其中和存儲有關(guān)的，獨占一半。而存儲對計算機(jī)系統(tǒng)造成的影響又可分為兩塊：一是系統(tǒng)功能的穩(wěn)健性；二是程序的執(zhí)行效率。

存儲器結(jié)構(gòu)

1.1 存儲器層次結(jié)構(gòu)

由于訪問速度、成本、功耗等指標(biāo)的制約，計算機(jī)系統(tǒng)中的存儲往往不是作為一個單一的大塊存在，而是被設(shè)置成一個多級的層次結(jié)構(gòu)。作為一個程序員，需要理解存儲器層次結(jié)構(gòu)，因為它對應(yīng)用程序的性能有著巨大的影響。

圖1中展示了一個典型 計算機(jī)系統(tǒng)的存儲層級結(jié)構(gòu)。和金字塔模型很像，越靠近金字塔頂端的存儲器，離CPU越近，訪問更便利且訪問速度快，但同時它們的容量也越來越小；反之越靠近底層，存儲容量越大，訪問速度卻越來越慢。

最高層的L0，是CPU寄存器，CPU可以在一個時鐘周期內(nèi)訪問他們；接下來是一個或多個小型到中型的基于SRAM的高速緩存存儲器，可以在幾個CPU時鐘周期內(nèi)訪問它們；然后是一個大的基于DRAM的主存，可以在幾十到幾百個時鐘周期內(nèi)訪問它們；接下來是慢速但容量很大的本地磁盤；最后，甚至有些系統(tǒng)會通過網(wǎng)絡(luò)訪問其遠(yuǎn)程服務(wù)器上的磁盤。

圖1 存儲器層次結(jié)構(gòu)

高速緩存可以存在一級或多級，甚至不存在于一些低性能的單片機(jī)中。TI C64X架構(gòu)中設(shè)計有2級的高速緩存，其數(shù)據(jù)和代碼的存取機(jī)制在本訂閱號之前的文章“TI C6000 數(shù)據(jù)存儲處理與性能優(yōu)化”中有過描述。

1.2 存儲器的訪問

一個編寫良好的計算機(jī)程序常常具有良好的局部性（locality）。

局部性通常有兩種不同的形式：時間局部性和空間局部性。

時間局部性：在一個具有良好時間局部性的程序中，被訪問過一次的內(nèi)存位置很可能在不遠(yuǎn)的將來再被多次訪問 。

空間局部性：在一個具有良好空間局部性的程序中，如果一個內(nèi)存位置被訪問 了一次，那么程序很可能在不遠(yuǎn)的將來訪問 附近的一個內(nèi)存位置。

例如對一個二維數(shù)組求和：

for （i=0; i《M; i++）

for（j=0; j《N; j++）

sum += data_tab［i］［j］;

其中，sum在循環(huán)迭代中被多次訪問，它具有良好的時間局部性，但因其為標(biāo)量，因此沒有空間局部性。對二維數(shù)組data_tab而言，其元素在存儲中順序存儲，因此有好的空間局部性，但由于其每個元素只訪問一次，因此時間局部性很差。

另外，假設(shè)把上面第三行替換成：

sum += data_tab［j］［i］;

由于二維數(shù)組是按行依次存儲，則每次循環(huán)對內(nèi)存訪問的步長由1變?yōu)镹，空間局部性變差。像這樣看上去對程序很小的改動對它的局部性有很大的影響。

存儲類型

2.1 隨機(jī)訪問存儲器（RAM）

上電使用，掉電存儲內(nèi)容丟失。

靜態(tài)RAM（SRAM）：存儲單元具有雙穩(wěn)態(tài)特性，上電就能保持它的值，對光和電噪聲等干擾不敏感。它使用晶體管多，因而密集度低，更貴，功耗更大。

動態(tài)RAM（DRAM）：對每個位存儲為對一個電容的充電，因漏電的原因需要不斷刷新來保持存儲值。

SDRAM（Synchronous DRAM）：用與驅(qū)動內(nèi)存控制器相同的外部時鐘信號的上升沿，來作為控制信號。

DDR SDRAM（Double Data-Rate Synchronous DRAM）：通過使用兩個時鐘沿作為控制信號，從而使DRAM的速度翻倍。它是用提高有效帶寬的很小的預(yù)緩沖區(qū)的大小來劃分的，如DDR（2位）、DDR2（4位）、DDR3（8位）。

表1 SRAM與DRAM性能比較

2.2 非易失性存儲器

非易失性存儲器，即使在關(guān)電后仍能保存著它們的信息。由于歷史的原因，它們也被整體成稱為ROM（Read Only Memory），但很多ROM類型是即可以讀也可以寫的。

PROM（Programble ROM）：只能被編程一次，PROM的每個存儲器單元有一種熔絲，只能用高電流熔斷一次。

EPROM（Erasable Programble ROM）：可擦寫可編程，對它的編程是通過一種把1寫入EPROM的特殊設(shè)備來完成的。

EEPROM（Electrically Erasable Programble ROM）：電子可擦除，不需要一個物理上獨立的編程設(shè)備，因此可以直接在芯片上編程，能被編程的次數(shù)可以達(dá)到10e5次。

閃存（flash）：基于EEPROM的一類非易失性存儲器。對它寫數(shù)據(jù)必須先將芯片中對應(yīng)的內(nèi)容清空，然后再寫入，也就是通常說的“先擦后寫 ”。

NAND flash：對它的操作以“塊 ”為基本單位，因此要修改一個字節(jié)，必須重寫整個數(shù)據(jù)塊。它的容量大，適合做大量數(shù)據(jù)的存儲。

NOR flash：對它的操作以“字 ”為基本單位。它的容量相對較小，成本大，一般用來存儲程序。

2.3 磁盤

磁盤由盤片構(gòu)成，它是廣為應(yīng)用的保存大量數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備。不過從磁盤上讀信息的時間為毫秒級，比從DRAM讀慢了10萬倍，比從SRAM讀慢了100萬倍。

棧和堆

3.1 棧（stack）

棧是一個“后進(jìn)先出”的存儲空間，程序運行中，代碼“過程 ”涉及到的返回地址、過程參數(shù)、需要保存的寄存器信息都被壓入棧中，過程中聲明的臨時變量也是在棧中開辟存儲。

過程的形式多樣：函數(shù)、方法、子例程、中斷處理函數(shù)等。當(dāng)過程需要的存儲空間超出寄存器能夠存放的大小時，就會在棧上分配空間，這部分空間稱為過程的棧幀。

通常，棧底位于高地址，隨著數(shù)據(jù)的壓入，棧向低地址方向增長，而棧指針指向棧頂。將棧指針減少一個適當(dāng)?shù)牧?，可以為沒有指定初始值的數(shù)據(jù)，在棧上分配空間；類似的，可以通過增加棧指針來釋放空間。因為棧的位置取決于.stack段分配在什么地方，所以棧的實際地址是在連接時決定的。

假設(shè)過程P調(diào)用過程Q時，相關(guān)的控制和數(shù)據(jù)信息添加到棧尾，當(dāng)Q返回時，這些信息會釋放掉。如果存在多級調(diào)用（包括遞歸調(diào)用），較早的棧幀也會累積下來，直到它對應(yīng)的過程結(jié)束。

圖2 通用的棧幀結(jié)構(gòu)

?？臻g的大小可以在鏈接命令文件中，使用-stack選項進(jìn)行設(shè)定。在對TI C64X架構(gòu)芯片進(jìn)行編程時，如果用戶沒有自己設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)棧的尺寸為1KB。注意：編譯器在編譯期間和運行期間都不進(jìn)行對棧溢出的檢查，因此對棧空間的管理上需格外小心。

3.2 堆（heap）

堆是用于動態(tài)內(nèi)存分配的一個存儲區(qū)域，動態(tài)分配的對象不是可直接尋址的，它們總是用指針來訪問。動態(tài)內(nèi)存分配器將堆視為一組不同大小的塊的集合來維護(hù)。每個塊就是一個連續(xù)的虛擬內(nèi)存片，要么是已分配的，要么是空閑的。一個已分配的塊保持已分配狀態(tài)，直到他被釋放，這種釋放要么是應(yīng)用程序顯式執(zhí)行的，要么是內(nèi)存分配器自身隱式執(zhí)行的。

C標(biāo)準(zhǔn)庫提供一個稱為malloc程序包的顯式分配器，程序通過調(diào)用malloc函數(shù)來從堆中分配塊。malloc函數(shù)返回一個指針，指向大小至少為size字節(jié)的內(nèi)存塊，這個塊會為可能包含在這個塊內(nèi)的任何數(shù)據(jù)對象類型做對齊。與malloc相對應(yīng)的是free程序包，用于釋放已分配的內(nèi)存塊。

下圖直接截取深入理解計算機(jī)系統(tǒng)這本書中，用一個16字的小堆來展示的malloc和free是如何管理堆空間的：

程序使用動態(tài)內(nèi)存分配的最重要原因是，經(jīng)常直到程序?qū)嶋H運行時才知道某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小。

堆位于段.sysmem中，可分配動態(tài)存儲池的大小，僅僅受限于系統(tǒng)中實際的存儲容量。 堆空間的大小可以在鏈接命令文件中，使用-heap選項進(jìn)行設(shè)定。在對TI C64X架構(gòu)芯片進(jìn)行編程時，如果用戶沒有自己設(shè)定，系統(tǒng)默認(rèn)堆的尺寸為1KB。

C編程中常見的與內(nèi)存有關(guān)的錯誤

在我們項目的調(diào)試中，死機(jī)現(xiàn)象被認(rèn)為是最讓人頭疼的問題，因為這類問題往往很難復(fù)現(xiàn)，而即便是找到了復(fù)現(xiàn)的規(guī)律，也很難通過跟蹤調(diào)試來斷定問題所屬的區(qū)域。由軟件造成死機(jī)的因素，可大致分為兩類：內(nèi)存操作錯誤和線程阻塞。

線程阻塞也有很多表現(xiàn)方式，如高優(yōu)先級線程堆積、程序陷入異常處理流程、死循環(huán)等等。所幸的是，線程阻塞要么很好復(fù)現(xiàn)，要么被追蹤到一次就能立馬找出癥結(jié)所在，可面對內(nèi)存錯誤造成的死機(jī)就不那么容易解決了。《深入理解計算機(jī)系統(tǒng)》這本書中也講到：與內(nèi)存有關(guān)的錯誤，屬于那些最令人驚恐的錯誤，因為他們在時間和空間上，經(jīng)常在舉措無緣一段距離之后才表現(xiàn)出來，將錯誤的數(shù)據(jù)選擇錯誤的位置，你的程序可能在最終失敗之前運行了好幾個小時，其實程序終止的位置距離處的位置已經(jīng)很遠(yuǎn)了。

內(nèi)存操作錯誤為什么會造成死機(jī)？舉個簡單的類比：一套性能完整的代碼就好比是一幢設(shè)計建造完好的房子，而內(nèi)存操作錯誤就像是突然拆除或篡改了支撐房屋結(jié)構(gòu)或運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部位，這一突發(fā)錯誤完全超出設(shè)計意料之外，引發(fā)一連串的惡果也就在所難免。下面是一些常見的內(nèi)存錯誤操作的例子（真實的情況遠(yuǎn)不止這些，更多情況可參考《深入理解計算機(jī)系統(tǒng)》這本書）：

4.1 數(shù)組越界

int data_tab［100］;

int i;

for（i=0; i《=100; i++）

{

data_tab［i］ = i;

}

這個例子中data_tab占100個int型長度，但循環(huán)卻進(jìn)行了101次。C對于數(shù)組應(yīng)用不進(jìn)行任何邊界檢查，而且局部變量和狀態(tài)信息（例如保存的寄存器值和返回地址）存放在棧中，這兩種情況結(jié)合到一起就能導(dǎo)致嚴(yán)重的程序錯誤，對越界數(shù)組元素的寫操作，會破壞存儲在棧中的狀態(tài)信息。

另一種情況是data_tab［］是全局?jǐn)?shù)組，這樣的越界將引起對數(shù)組尾部其它存儲內(nèi)容的修改，倘若被篡改的存儲區(qū)域剛好涉及到代碼的關(guān)鍵流程判斷，意味著異常流程的出現(xiàn)。

4.2 間接引用壞指針

scanf（“%d”， &val）;

錯誤寫成：

scanf（“%d”， val）;

在這種情況下，scanf將val的內(nèi)容解釋為一個地址，并試圖將一個字節(jié)寫到這個位置。在最好的情況下，程序立即異常終止，在最糟糕的情況下，val的內(nèi)容對應(yīng)于內(nèi)存的某個合法的讀寫區(qū)域，于是我們就覆蓋了這塊內(nèi)存，就通常會在相當(dāng)長的一段時間以后，造成災(zāi)難性的令人困惑的后果。

4.3 誤解指針運算

int *search（int *p， int val）

{

while（*p && *p ！= val）

p += sizeof（int） // should be p++

return p;

}

這種錯誤是忘記了指針的算術(shù)操作是以它指向的對象的大小為單位來進(jìn)行的。假設(shè)這里int占四個字節(jié)，原本掃描每個int變成了每四個int掃描一次。

4.4 引用不存在的變量

int *stackref（）

{

int val;

int *p;

p = &val;

return p;

}

這個函數(shù)返回一個指針，指向棧里的一個局部變量。盡管p仍指向一個合法的內(nèi)存地址，是它已經(jīng)不再指向一個合法的變量了。要知道，局部變量val在函數(shù)返回時，將會被釋掉。

4.5 引用空閑堆塊中的數(shù)據(jù)

int *heapref（）

{

int *x， *y;

x = （int *）malloc（sizeof（int））;

。。。

free（x）;

y = x;

。。。

return y;

}

這里y錯誤的引用已經(jīng)被釋放的堆塊的數(shù)據(jù)和指針x。申請的堆塊一旦被釋放，雖然之前指向該堆塊的指針x并沒有變化，但它指向的區(qū)域數(shù)據(jù)已經(jīng)不再有效了。

4.6 引起內(nèi)存泄漏

void leak（int n）

{

x = （int *）malloc（n*sizeof（int））;

return;

}

這個函數(shù)中分配了一個堆塊，但沒釋放就返回。如果經(jīng)常調(diào)用leak，那么漸漸的堆里就會充滿了垃圾，最糟糕的情況下會占用整個內(nèi)存地址空間。內(nèi)存泄漏是緩慢、隱性的殺手。