如何分析C语言程序的内存占用

如何分析C语言程序的内存占用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/jkler_doyourself/article/details/139011980

在C语言程序开发中，内存占用是一个重要的性能指标。本文将详细介绍如何分析C语言程序的内存占用，特别是全局/静态变量的内存占用情况。通过理论讲解、实践指导和具体工具使用说明，帮助开发者更好地理解和优化程序的内存使用。

问题

如何分析C语言程序的内存占用，特别是全局/静态变量的内存占用？

结论先行

• 除少数典型场景，不应该存在比较多，或大的全局/静态变量使用情况
• 应根据内存生命周期的情况，尽量使用栈上临时空间，再次之应使用堆空间(池)
  注：
• 全局/静态变量应作为系统自举的根信息存在，在所有组件间共享。
• 其它变量往往比较局部，工作层次不尽相同，可利用上下文结构体进行层次的划分，而不应该都在全局变量空间，作为底部基座存在。
• 如果以树形结构来来看待变量的工作层次，全局/静态变量就在整个系统的根上，而其它组件的分支上下文结构体变量，则是它们各自子树的根！

设计之美

不使用全局变量，虽然最初用起来别扭，但是，确实一种很好，很有美感的设计，体现了高内聚、低耦合，封装的美感！
全部使用全局变量，可视为一种无设计的懒惰，实践者并没有想好整个系统的架构模型，是怎样一棵树，或一片森林!

理论

• .data段展现了全局/静态变量非零初值的分配情况
• .bss段展现了全局/静态变量初值为零分配情况
• 两个段均符合Linux管理内存的金贵原则，表现为内存实际访问时，才转换为物理内存，没有被访问前，仅表现为虚存的内存申请量

内存的金贵

在linux中，即使对于.data or .bss的全局/静态变量，也采用延迟分配物理内存的策略，与堆空间一样。
这个可以从top -p $pid进行逐步的分析、查看VIRT、RES统计项的变化，不赘述。
注：文末有验证例子代码
所以，从这个角度来看，将内存放在全局占用，还是栈空间占用，抑或在堆空间，对于物理内存的占用来说，区别并不是非常大，但，还是有致命的区别！
内存使用，考察的首要因素，就是它的生命周期，用更合适的内存空间生命周期模型！
临时空间占用，将会因生命周期的结束，而释放掉物理内存占用！
但对比来看，已访问过的全局/静态变量，则不会！
所以，区别二者的不同，很重要 😃

序列图图解

临时空间编程技术手段

通用手段

• 将地址空间，例如，上下文信息，作为函数入参，避免进行全局名称访问，以利于更好的模块封装性，向函数编程分形靠齐
  临时空间内存大小的判断标准，为系统栈空间门限
  ulimit -s，例如，CentOS7为8M，已相当不小！
  对于普通大小的临时内存，建议使用：
• 栈上临时内存
• C99以来支持的函数内部使用可变长数组
  注：
• 栈空间内存优势在于内存生命周期的自动管理，能够将代码写的更简洁
• 能够将代码写的更短，又不影响可读性的技术，都是好手段
  对于较大的内存，建议使用：
• 堆空间动态申请/动态释放，以及可能巨量内存需要结合巨页的使用方式
  页表过多，会对于内存访问存在比较大的影响；对于巨量内存使用，应考虑使用巨页技术

缘由

近期由于一个硬件环境受限制的需求，需要对已有的程序进行裁剪内存占用。
对于进程启动后，新内存申请，一般可以通过valgrind等工具予以很好的分析。
但是，对于全局/静态变量的占用情况如何分析呢？

• 对于规模比较小的应用，可以通过个人编程经验进行精确地定位
• 当应用复杂度到达一定程度，必须在经验之外，结合使用工具进行兜底

分析全局变量内存占用情况工具

size

从概况上进行分析，分析某个可执行程序文件或库文件的.data or .bss段占用情况

size  /path/to/yourexcutablefile
# outpuit
   text    data     bss     dec     hex filename
   3699 2097896 4194312 6295907  601163 a.out

• .data段会占用文件大小，而.bss段不会占用文件大小，仅会在程序加载的时间进行分配，和初始化
• 可以利用大块全局变量设定非零的初值进行验证
• 建议全局变量都以零值初值起步，采用main运行后设定非零初值的策略，有利于加速程序load

gdb命令具体分析

gdb att $(pidof a.out)
# 利用info variables命令进行查看
(gdb) set logging file gdbout.txt
(gdb) set logging overwrite on
(gdb) set logging on
(gdb) info vairables

注：输出全局变量，仅需要关注自身代码相关的全局变量声明

valgrind

• 分析程序启动后的运行期间内存申请情况

补充

C语言例子

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/resource.h>
// data段
unsigned char g_abBufferAtDataSegment[2 * 1024 * 1024] = { [0 ... (sizeof(g_abBufferAtDataSegment) - 1)] = 0xff };
// bss段
unsigned char g_abBufferAtBssSegment[4 * 1024 * 1024];
int main(void)
{
  char szInputBuffer[256];
  printf("global variable at dss segment: %zu, at bss segment: %zu, but only in VIRT space\nEnter any key to continue:", sizeof(g_abBufferAtDataSegment), sizeof(g_abBufferAtBssSegment));
  
  fgets(szInputBuffer, sizeof(szInputBuffer), stdin);
  
  printf("Will access the global memory, to see the RES stat change\nEnter any key to continue:");
  
  for(unsigned int i= 0; i< sizeof(g_abBufferAtDataSegment); ++i)
  {
      g_abBufferAtDataSegment[i] = g_abBufferAtDataSegment[i];
  }
  
  for(unsigned int i= 0; i< sizeof(g_abBufferAtBssSegment); ++i)
  {
      g_abBufferAtBssSegment[i] = g_abBufferAtBssSegment[i];
  }
  
  fgets(szInputBuffer, sizeof(szInputBuffer), stdin);
  struct rlimit rl = {};
  if (getrlimit(RLIMIT_STACK, &rl) == 0) {
    printf("Current stack size soft limit: %ld bytes, %ld MB\n", (long)rl.rlim_cur, (long)rl.rlim_cur/(1024*1024));
    printf("Current stack size hard limit: %ld bytes, %ld MB\n", (long)rl.rlim_max, (long)rl.rlim_max/(1024*1024));
  }
  printf("Enter the size factor of statck dynamic array(Unit: MB); q char will exit!\n");
  
  while (fgets(szInputBuffer, sizeof(szInputBuffer), stdin)) {
    if (szInputBuffer[0] == 'q')
      break;
    // 使用M级别以利于观察
    unsigned int size = atoi(szInputBuffer);
    unsigned char tmpBuffer[size * (1024 * 1024)];
    memset(tmpBuffer, 0, sizeof(tmpBuffer));
    printf("Memset the temp buffer, to see the memory uasge\n");
  }
  printf("Exit from program!\n");
  return 0;
}

编译脚本

.PHONY: globalMemoryUsage
CCFLAGS := -g3 -O0 -W -Wall -std=gnu11 -pipe -Wno-int-to-pointer-cast -Wno-pointer-to-int-cast -Wno-unused-variable -Wno-unused-but-set-variable
globalMemoryUsage: main.c
    @echo "test globalMemoryUsage program ..."
    gcc $(CCFLAGS) $^ $(LDFLAGS)

注: 需要采用高版本编译标准，以支持将.data段全局变量设定为非零固定值