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C语言如果变量全部在全局内存空间会怎么样

结论先行

  • 应该根据内存使用的生命周期,选择合适的内存空间
  • 应该尽量使用连续内存
  • 如果不想在设计封装性上付出太多代价,全部放入全局空间也比较可取
空间类型特点
全局空间生命周期最久,空间连续,变量分配紧致,但存在浪费物理内存的风险
栈空间临时生命周期,但仍具有类似全局空间连续内存、变量分配紧致的优势 。不过,空间大小受限
堆空间建议临时生命周期使用,但在连续内存视角上存在劣势,易形成碎片。不过,如果空间类型使用正确,碎片问题并不大
临时生命周期内存,在不超过栈空间约束的情况下,可以考虑直接用栈空间

缘由

近段几乎有一股魔怔,想将全局空间内的某些大内存变量,给尽量放入栈空间、或次之放入堆空间,以利于全局空间仅有少部分共享数据。

此种想法,从系统以少量全局信息开始自举,以及设计上的封装性来看是非常好的,避免全局变量空间成为一个垃圾场,充满各种杂乱无章和飞线乱飞,让代码更容易被理解、维护。

但是,后来细细想想、根据已掌握的内存使用知识梳理了一下,这样做的实用价值并不算太大!

那么,让我们来聊聊这个问题 😃

推演

白话理论

  • 机器结构倾向于临近访问,以利于CPU缓存、避免缺页处理
    • 缓存设计深入的、进一步的要求,则需要区分读写,进行读写分离,将读、写分块、分区存放,使得读内存区域具有cache友好性

  • 无论全局空间、还是堆空间、栈空间,均在内存被真实访问的时间,才转化为物理内存占用
    • 无论哪种空间使用方式,在内存使用生命周期大致相同的情况下,真实占用物理内存差距并不大,而真实内存才是最宝贵的
    • 根据临时性的内存的生命周期,选择栈空间,或堆空间,相比较于全局空间,在真实内存占用量这块存在一定优势

  • 虚拟内存空间与物理内存之间存在页表映射,倾向于页表数量比较少,甚至在必要场合使用巨页技术
    • 要尽量减少页表,最直接的要求就是申请量要少,甚至使用巨页技术

可以看到,以上内存使用约束带来的影响不同的,不见得都是正相关

如果变量全部在全局空间会怎么样

如果极端地变量使用内存全部存放在全局空间,那么除了设计上的劣势外,会具有一些什么好处呢?

  • 空间连续,页表减少
  • 变量分配紧致、内存碎片可能较少
  • 在预防内存不足的场景具有相对优势

甚至由于在程序启动时,全局空间已由OS系统分配完毕,也就给OS在全局内存空间占用较多的时间,达到系统优化阈值之后,使用巨页的自动优化留下了空间。

不过,OS对全局空间占用比较大的场景,是否透明地采用巨页技术,仅是猜测,未经考证,但存在此种可能,看OS系统的进取心了!

补充劣势: 全局变量空间较大,笔者曾遇到valgrind检测失败的情况


栈空间

栈空间在线程创建时即进行申请,根据ulimit -s的限定,相当于一块连续的大内存,也拥有全局空间的优势和变量分配的紧致,但却是临时生命周期内存空间的乐园。

  • 使用技巧:在main函数或Thread Entry函数入口处栈空间,与全局变量几乎具有同等的生命周期,而且具有良好的封装性

堆空间

因为堆空间内存申请、释放的时机,与内存大小的随机性,比较大可能存在内存碎片,建议对于典型、已知应用场景,使用拥有连续内存的用户自定义的内存分配器,进行管理。

内存碎片对于在堆空间存活时间长的内存空间比较敏感,如果内存空间都很临时,其实碎片的可能性也大为减小。

但,峰值场景值得警惕!

根据这个原则,开发者应对内存生命周期比较长的内存使用转化为全局空间,或用户自定义内存管理器所开辟的空间,避免形成内存碎片。

最后说点

虽然说针对于C 语言程序探讨问题,但我想因为C语言对于机器的优秀建模,所以,其它编程语言也大差不差。

对于此问题的认识来源于分析的方法:

  • 抛出一个简单模型观察、观察
  • 推演其极致情况,看看究竟
  • 在理解和把握前两者之后,对混合情况进行分析、分析

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