浅谈C++跨模块释放内存

     在开发主程序和动态库时，首要原则就是：避免跨模块申请和释放内存。这一点，我们在很多开源库或者平常项目中也都碰到过，对于动态库中的堆内存申请与释放，动态库总是会提供两个接口分别实现new和delete操作，而不会让调用方自己去操作。但有时候如果违背了这个原则呢，在linux平台上不会存在这样的忧虑，因为在linux下，每个进程只有一个heap，在任何一个动态库模块so中通过new或者malloc来分配内存的时候都是从这个唯一的heap中分配的，那么自然你在其它随便什么地方释放都是没问题的。这个模型是简单的。而windows下就变得复杂了，下面主要介绍一下windows下的主程序和dll之间跨模块内存释放的问题。

     windows允许一个进程中有多个heap，那么当需要在堆上分配内存时就要指明在哪个heap上分配，win32提供了HeapAlloc函数可以在指定的堆上分配内存。这样的设计虽然比较灵活，但是问题在于，每次分配内存的时候就必须要显式的指定一个heap，对于crt中的new/malloc，显然需要特殊处理。那么如何处理就取决于crt的实现了。vc的crt是创建了一个单独的heap，叫做__crtheap，它对于用户是看不见的，但是在new/malloc的实现中，都是用HeapAlloc在这个__crtheap上分配的，也就是说malloc(size)基本上可以认为等同于HeapAlloc(__crtheap, size)（当然实际上crt内部还要维护一些内存管理的数据结构，所以并不是每次malloc都必然会触发HeapAlloc），这样new/malloc就和windows的heap机制吻合了。

     如果一个进程需要动态库支持，系统在加载dll的时候，在dll的启动代码_DllMainCRTStartup中，会创建这个__crtheap，所以理论上有多少个dll，就有多少个__crtheap。最后主进程的mainCRTStartup 中还会创建一个为主进程服务的__crtheap。（由于顺序总是先加载dll，然后才启动main进程，所以你可以看到各个dll的__crtheap地址比较小，而主进程的__crtheap比较大，当然排在最前面的堆是每个进程的主heap。）

     由此可见，对于crt来说，由于每个dll都有自己的heap，所以每个dll通过new/malloc分配的内存都是在自己dll内部的那个heap上用HeapAlloc来分配的，而如果你想在其它模块中释放，那么在释放的时候HeapFree就会失败了，因为各个模块的__crtheap是不一样的。

     那么如果有非要用到跨模块释放的场景呢，可以使用以下几种方式来解决：

一， MT改MD

     一个进程的地址空间是由一个可执行模块和多个DLL模块构成的，这些模块中，有些可能会链接到C/C++运行库的静态版本，有些可能会链接到C/C++运行库的DLL版本。当使用运行库的DLL版本时，由于dll加载到进程中只会在地址空间中存有一份，因此共用的是同一个堆。所以将可执行模块和DLL模块统一修改为MD编译，则可以直接实现跨模块之间的内存申请和释放，而不会存在任何问题。
     更多MT和MD，以及DLL和进程地址空间的知识可以参见博客：DLL和进程的地址空间

二， DLL提供释放接口

     DLL提供统一的对外接口，供外部模块（可执行模块或其它DLL模块）调用，由该DLL内部来进行内存的释放。简单实现如下：

void __stdcall MyFree(void *ptr)
{
	if (ptr)
	{
		free(ptr);
	}
}
void __stdcall MyDelete(void *ptr)
{
	if (ptr)
	{
		delete ptr;
	}
}
void  __stdcall MyDeleteArray(void *ptr)
{
	if (ptr)
	{
		delete[] ptr;
	}
}

三， 使用进程堆申请内存

     在一个进程中，可执行模块和DLL模块都属于同一个进程地址空间，而每个进程又都有一个为主进程服务的堆（一般也称为进程的默认堆），当我们需要跨模块进行内存申请和释放时，可以在进程主堆上进行申请，同样地，释放时，也直接在进程主堆上进行释放，这样就可以不用考虑MT导致的跨进程释放的问题。API的使用此处不讲解，直接附上简易代码：
在DLL中：

void* __stdcall Test(int *len)
{
	void* pData = HeapAlloc(GetProcessHeap(), HEAP_ZERO_MEMORY, 100);
	if (pData == NULL)
		return NULL;
	//使用的是HEAP_ZERO_MEMORY，会自动把内存块的内容都清零
	//下面这行代码可以不要的
	memset(pData, 0, 100);

	char pBuf[] = "十点十分十分十分";
	memcpy(pData, pBuf, sizeof(pBuf));
	*len = 100;
	return pData;
}

在可执行模块中：

int main()
{
	HMODULE hLib = LoadLibraryA("Dll1.dll");
	if (nullptr == hLib)
	{
		std::cout << "LoadLibraryA fail, error:" << GetLastError() << std::endl;
		return 0;
	}

	Fun fun = (Fun)GetProcAddress(hLib, "Test");
	if (nullptr == fun)
	{
		std::cout << "GetProcAddress fail, error:" << GetLastError() << std::endl;
		return 0;
	}

	int nLen = 0;
	char *pData = (char*)fun(&nLen);

	std::string strTemp(pData, nLen);

	HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pData);

	std::cout << strTemp << std::endl;

	return 0;
}

     使用默认的进程堆来申请内存还需要注意，很多Windows系统函数都用到了进程的默认堆，而且应用程序会可能有多个线程同时要调用各种windows函数，因此系统保证不管在什么时候，一次只让一个线程从默认堆中分配或者释放内存快。当两个线程同时想要从默认堆中分配一块内存，那么只有一个线程能够分配，另一个线程必须等待第一个线程的分配完成。这种依次访问对性能会有轻微影响，在一般的应用程序中可以忽略不计，对性能要求较高的程序需要注意。