CRT堆

CRT堆

N年前，在探讨C++对象创建及管理方法时，写了些代码，管理对象 (factory method、singleton、prototype)，发现了windows进程及dll退出时的一些行为及由此引起的问题，本文将问题列举并进行讨论，以下讨论都是以程序静态连接为前提，在本文的最后将会回过头来讨论这个大前提，并提出一些解决问题的方法。

CRT堆

首先CRT就是C RunTime的缩写，意思是C运行库。CRT可以理解为windows操作系统对C语言提供的一套支撑库，使得C程序通过C标准库函数就能与操作系统交互，而不需要调用windows API。普通CRT进程退出时，会首先以LIFO调用atexit注册的例程，执行完这些例程后，跟着清理CRT堆空间(而不是清理进程堆空间)，接着调用ExitProcess退出。注意了，不要以为进入ExitProcess后，进程就退掉，其实在进入ExitProcess后，将调用已加载的Dll的DllMainCRTStartup，这个函数以Process_Detach调用加载到进程的Dll的DllMain函数，之后，还会调用Dll的atexit注册例程，之后又是清理Dll自身的CRT堆空间。CRT堆就供new和malloc分配内存的进程堆空间。一个重要的概念，MainCRTStartup(DllMainCRTStartup)会调用main(DllMain)、atexit序列及清理CRT堆空间(静态连接为前提)。

Dll的atexit注册例程

其实，每个Dll模块都有自己的atexit stack，这个stack只有在Process_Detach时才会调用，每个Dll的atexit stack单独维护，并且与进程的atexit stack毫无关系。所以，请注意，凡是Dll内注册的atexit，不要引用非自身模块的变量或者非自身模块的CRT堆空间(静态连接为前提)，因为，Dll的atexit例程调用序列只按照自身Dll注册的序列调用，与外部的atexit序列不会产生任何关系。而引用的外部变量，很可能在Dll调用atexit注册的例程时已无效，特别是不要引用非自身CRT堆空间(静态连接为前提)，本文将围绕自身CRT堆空间进行讨论(当静态连接为前提时，才有自身CRT堆空间这个概念)，但我们先来看一个atexit的例子：

如果左图是代码内注册atexit的序列，那么，右图将会是实际情况的一种。可以确定的是，由进程注册的atexit序列是最先调用的，之后将根据Dll加载顺序的倒序，执行Dll的atexit序列。下图是一个完整的调用序列：

重点注意，这里提及的Dll注册atexit是指atexit调用发生在Dll内部，而不是在main函数内使用atexit注册Dll的导出函数。atexit与模块相关但不与代码相关。Dll的atexit序列在FreeLibrary的时候也会调用，因为FreeLibrary会导致系统调用Dll的DllMainCRTStartup函数。

Dll全局对象在DllMainCRTStartup调用DllMain之前就被初始化，所有，你可以在DllMain内使用Dll的全局对象，同样，全局对象在调用DllMain之后才会析构。一个准则，DllMain内可以随意使用全局对象，无论是ATTATCH还是DETACH。

同样重点注意，自身CRT堆空间是模块相关的，当一个Dll被清理自身CRT堆空间后，该Dll通过new或malloc分配的堆内存都变得无效。

经观察发现，如果进程在ExitProcess之前还保留对其他Dll的引用，那么，调用ExitProcess时，windows操作系统将使用LIFO顺序调用这些Dll的DllMainCRTStartup，而不管这些Dll是如何相互引用的。看以下例子(所有执行模块静态连接)：

0.先解释这个例子的原意，对象管理器管理对象的创建及销毁对象，并在对象上实施singleton、prototype的特性，但对象的具体创建、销毁方法由具体的dll提供。

1.进程起来，加载对象管理器Dll，管理器Dll通过注册atexit来释放对象池。

2.进程向对象管理器发出请求，获取A.dll的对象AObject，对象管理器按请求加载A.dll，A.dll用new创建AObject，返回给管理器，管理器把AObject保存到对象池内，管理引用计数。

3.进程main函数return，MainCRTStartup调用ExitProcess，ExitProcess导致Dll的DllMainCRTStartup依次被调用。注意，这时调用顺序(LIFO)是先调用A.Dll，再调用管理器Dll。在调用管理器Dll的DllMainCRTStartup时，管理器的atexit注册例程会释放对象池，也就是通过A.dll释放AObject，好，错误产生了：由于ExitProcess是先调用A.Dll的DllMainCRTStartup，清理了属于A.dll的CRT堆空间，使得A.Dll用new创建的AObject变得无效，所以，当管理器的atexit注册例程释放AObject(变成了使用一个无效地址调用AObject的析构函数)时，AV异常。另外，管理器保留A.dll的句柄是合法的，可以顺利调用FreeLibrary，但是，A.dll的DllMainCRTStartup在这种情况下是不会被调用的。以下是图形化的描述：

图1管理器加载到进程

 

图2 A.dll加载到进程

 

图3 通过A.dll创建AObject

 

图4 ExitProcess

A.dll的DllMainCRTStartup清理自身CRT堆空间，导致AObject无效

自身CRT堆究竟是什么

CRT堆是我们使用new、malloc的基础，CRT堆在可执行模块的入口点(MainCRTStartup、DllMainCRTStartup)使用HeapCreate创建。基于win32虚地址机制，CRT堆对象的地址与进程默认堆是在同一个线性地址空间内，使得进程可以通过加减内存地址轻松访问。

好，我们现在知道CRT堆的由来，那么问题来了，当可执行模块是静态连接(或连接到不同版本的CRT运行库)的时候，这份创建CRT堆的代码会存在于各个的可执行模块内部，于是，每个可执行模块在加载时都会创建自己的堆，我把这种堆称为自身CRT堆。

当这些拥有自身CRT堆的可执行模块加载到同一个进程空间内的时候，它们的堆空间虽然能交叉访问，但却不能交叉释放(A模块分配的内存不能在B模块内释放)，因为这些内存不是属于同一个堆的。同样，A模块分配的内存在A模块卸载后就变得无效了，因为A模块卸载会释放A模块自身CRT堆。当使用STL容器作模块间传递时，这些问题特别容易显现。想象一下容器内的元素来自不同的CRT堆，当容器析构时是怎么样的情况。

所以，当应用程序以可执行模块划分的时候，应该统一使用动态连接CRT运行库，并且，连接同一个版本的运行库。那么，什么是同一个版本的运行库呢？下一节展开分析。

话说回来，如果所有堆操作都使用进程默认堆，就不会出现问题了。不过，使用默认堆空间效率会比CRT堆低，因为CRT堆会预先保留提交内存以备使用，另外，使用进程默认堆，就不能使用new、delete创建销毁对象了。离开new，如何创建C++对象？^_^，使用placement new嘛。如何delete对象？先显式析构，再HeapFree吧。

附上一个静态连接C程序启动及退出的主要步骤：

静态连接时MainCRTStartup在源文件crt0.c内，DllMainCRTStartup在dllcrt0.c内。动态连接时MainCRTStartup在源文件crtexe.c内，DllMainCRTStartup在crtdll.c内。

同一个版本的运行库

静态连接的可执行模块不会依赖msvcrt、msvcp*、msvcr*这些CRT运行库Dll，所以，静态连接的模块会各自创建自身CRT堆。动态连接时情况就不一样，CRT堆会在CRT运行库加载时创建并且只创建一份(因为CRT运行库Dll只会加载一次)。那么，执行模块会加载哪个版本的CRT运行库呢？这跟vc编译器版本有关，现分别列举以VC6、7.1(2003)、8(2005)为编译器时的情况：

编译器               依赖	msvcrt.dll	msvcp*.dll	msvcr*.dll
VC6	√	msvcp60.dll	╳
VC7.1	*	msvcp71.dll	msvcr71.dll
VC8	*	msvcp80.dll	msvcr80.dll

注意，如果是调试版本的模块，依赖的dll将会是调试版本，即文件名最后带一个d字。另外注意打*号的地方，从VC7开始，动态连接编译出来的代码不再直接依赖msvcrt.dll，而是依赖一个与编译器版本相关的msvcr*.dll，编译出来的代码通过这个msvcr*.dll使用msvcrt.dll，无论是调试版本还是发行版本，都只使用msvcrt.dll。最后，只有模块使用到C++的库函数，才会添加msvcp*.dll的依赖。

Microsoft在MSDN内对msvcr*.dll的作用作出了解释：原有的msvcrt.dll是windows操作系统的关键模块。由于在VC6编译出来的程序直接引用这个关键模块，那么，程序发布时的一些误操作(使用发布程序的msvcrt.dll覆盖目标系统的msvcrt.dll)可能会覆盖掉目标系统的msvcrt.dll，导致系统不稳定。在VC7引入msvcr*.dll可避免上述情况出现，而且msvcr*.dll可随程序一同发布。

默认情况下，使用同一个版本的运行库就是指使用同一个版本的VC以动态链接方式编译。如何识别某模块的运行库版本？如果某模块只依赖了msvcrt.dll，它就是VC6编译出来的；如果依赖msvcr71，就是VC7.1；如果依赖msvcr80.dll，就是VC8。

当应用程序以可执行模块划分(并且存在隐式或显式内存交叉释放)，模块可能会分开编译。随着时间推移，系统不断升级，可能会导致模块依赖的CRT运行库不相同。那么，应当在模块加载前检查模块的导入表，确认模块的运行库依赖关系，当依赖关系不满足时，拒绝加载模块。这是一个有效的手段，阻止不同版本的CRT运行库加载到同一个进程内。在无法管理模块CRT运行库版本时，应用程序就不应该存在内存交叉释放行为。当无法管理模块CRT运行库版本并且应用程序存在内存交叉释放行为时，应该考虑提供独立的内存管理DLL模块，作为基础设施给上层模块提供内存分配释放功能，一个典型例子就是XFS子系统的WFMAllocateBuffer、WFMAllocateMore和WFMFreeBuffer内存管理API，这类API看上去虽然只是提供了共享内存的控制，其实，更多的是考虑到跨模块内存管理。

总结

本文对CRT堆及atexit作出了分析并阐述个人观点，这些观点是建立在阅读及跟踪CRT源代码的基础上。这些观点解释了一些奇怪的现象，例如：当STL对象跨模块传递时，为什么会出现非法访问，为什么编译时设置为DLL连接就没问题了；为什么XFS要求我们要使用XFS的API分配释放内存。这些观点也指出，在模块化程序设计时，内存管理方面需要注意的地方。如果观点有误，请提出。其实，只要我们明白个中原理，就不用害怕跨模块传递对象了。

为什么会有这篇文章，因为我在研究对象管理器时，编写了一些代码，由于忽略了编译选项，导致后期集成测试时出现了古怪现象：对象还没delete，但对象的内存区域已无效，起初是与atexit顺序有关，后来更发现了与CRT堆也有关系。其实，本文就是排错过程的总结，希望对其他人有帮助。也可参考MSDN: Potential Errors Passing CRT Objects Across DLL Boundaries。

特别注意，VC6创建win32 Dll工程时，默认的编译选项是静态连接！！