了解 C++ 分配的内存量

Question

我正在尝试更好地理解 C++ 中在堆上分配的内存量。我编写了一个小型测试程序，除了填充许多 2D 向量之外，它基本上什么也不做。我在 linux 64 位 VM 上运行它，并使用 valgrind 的 massif 工具来分析内存。

我正在运行此测试的环境：在 Win10 上的 VirtualBox 中运行的 Linux VM。 VM 配置：基本内存：5248MB，4 个 CPU，上限为 100%，磁盘类型 VDI（动态分配的存储）。

c++内存分析测试程序：

/**
 * g++ -std=c++11 test.cpp -o test.o
 */

#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char **arg) {
    int n = stoi(arg[1]);
    vector<vector<int> > matrix1(n);
    vector<vector<int> > matrix2(n);
    vector<vector<int> > matrix3(n);
    vector<vector<int> > matrix4(n);
    vector<vector<int> > matrix5(n);
    vector<vector<int> > matrix6(n);
    vector<vector<int> > matrix7(n);
    vector<vector<int> > matrix8(n);

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix1[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix2[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix3[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix4[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix5[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix6[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix7[i].push_back(j);
        }
    }

    for (int i=0; i<n; ++i) {
        for (int j=0; j<n; ++j) {
            matrix8[i].push_back(j);
        }
    }
}

我运行以下 bash 脚本以提取 n 不同值的内存配置文件（test.o 是上面的程序，使用 g++ -std=c++11 编译，g++ 是版本 5.3.0）

valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n1000.txt ./test.o 250
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n1000.txt ./test.o 500
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n1000.txt ./test.o 1000
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n2000.txt ./test.o 2000
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n4000.txt ./test.o 4000
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n8000.txt ./test.o 8000
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n16000.txt ./test.o 16000
valgrind --tool=massif --massif-out-file=massif-n32000.txt ./test.o 32000

这给了我以下结果：

|--------------------------------|
| n     | peak heap memory usage |
|-------|------------------------|
| 250   | 2.1 MiB                |         
| 500   | 7.9 MiB                |
| 1000  | 31.2 MiB               |
| 2000  | 124.8 MiB              |
| 4000  | 496.5 MiB              |
| 8000  | 1.9  GiB               |
| 16000 | 6.2 GiB                |
| 32000 | 6.1 GiB                |
|--------------------------------|

每个矩阵的大小为 n^2，我总共有 8 个矩阵，因此我预计内存使用量约为 f(n) = 8 * n^2。

问题1从n=250到n=8000，为什么n*=2时内存使用量或多或少乘以4？

从 n=16000 到 n=32000 发生了一些非常奇怪的事情，因为 valgrind 实际上报告了内存减少。

问题2在n=16000和n=32000之间发生了什么，怎么可能堆内存少了，而理论上应该分配更多的数据？

请参见下面 n=16000 和 n=32000 的 massif-visualizer 输出。

Answer 1

1) 因为矩阵向量的大小（以及它们的内存占用）随着 n² 增长，所以将 n 加倍会导致内存使用量翻两番。任何与精确关系的偏差（相对于渐近）都是由于不同的因素造成的（例如malloc / std::allocator使用的元数据，vector使用的块大小加倍方法）

2) 你的内存开始用完了，所以 Linux 开始 page 一些；如果您想查看 total（活动 + 分页）内存使用情况，请使用 --pages-as-heap=yes。 （来源：http://valgrind.org/docs/manual/ms-manual.html）