C++内存池的简单实现

一、内存池基础知识

1、什么是内存池

1.1 池化技术

池化技术是计算机中的一种设计模式，主要是指：将程序中经常要使用的计算机资源预先申请出来，由程序自己管理，程序在使用时直接从“池”中获取，不仅保证了程序占有的资源数量同时减少资源的申请和释放时间。常见的池化技术有内存池、线程池、连接池等。

1.2 内存池

内存池是一种动态内存分配与管理技术。它的核心思想是：预先申请一段内存空间，使用一种高效的数据结构（哈希、链表）进行管理，当程序需要内存时直接从内存池中分配一块内存给程序，同样当使用完时在归还给内存池。这样做的好处是，减少直接使用new/delete、malloc/free等API申请和释放内存的时间，提高程序运行效率；同时，程序每次直接使用new/delete、malloc/free从内存中申请空间，会导致内存碎片问题，内存池直接申请大块内存就减少了内存碎片。

2、内存池的作用

2.1 效率问题

通常申请内存都是通过new/delete、malloc/free接口直接从内存的堆区申请一块内存，释放也是直接释放到堆中。频繁的申请和释放必然消耗大量时间，降低程序的运行效率。

例如：假设每个链表的节点大小为16字节，当链表需要经常插入节点时，必然就需要频繁的内存申请操纵，每次从堆中申请16个字节都要一定的时间开销，释放内存也需要时间开销。使用内存池，我们可以直接从内存中申请“一批节点”，当程序需要内存时不用直接去堆中申请，直接将预先申请好的内存分配给程序。

2.2 内存碎片

频繁的从内存中申请小块内存会导致内存碎片问题。内存碎片分为内碎片和外碎片两种。

1）外碎片

外碎片也就是我们常说的内存碎片。例如：我们每次从内存中申请一块16字节大小的内存，内存中就会存在很多16个字节大小的块，当该内存释放时就可能造成内存碎片，如下图：

内存中空闲内存大小为88字节，但是我们能申请的最大内存块为21字节。

2）内碎片

内碎片是指已经分配出去的内存中存在的未使用的小块内存。内存池技术虽然解决了内存随便但是又造成了内碎片问题，内碎片不可避免但是可以通过程序的优化减少内存内碎片。

例如：实际需要是申请10byte的内存，定长内存池可能会进行内存对齐，一次性分配了16个字节的内存，多余的6字节实际并未使用，这6字节就是内存内碎片。

3、内存池技术的演进

1）最最最最“简单”的内存池

做一个链表，指向空闲的内存。分配就是从链表中取出来一块返回pop,释放就是将内存在push到链表中。需要做好归并，标记和保护，防止内存二次释放问题。

2）定长内存池

实现一个FreeList类，它的本质是一个链表，节点是一块固定大小的内存，采用头插和头删的方式申请释放内存。每个固定内存分配器里面有两个链表：OpenList用于存储未分配的空闲内存对象（FreeList对象），CloseList用于存储已经分配的内存对象。

分配内存就是从IOpenLsit中取出一个对象给程序，释放内存就是将对象push到CloseList里。当内存不够时，OpenList申请一个大块内存在切割成固定的长度大小的小块内存。

3）C++STL库中的内存池

定长内存池存在的问题就是只能申请固定长度的内存，而实际中我们需要申请的内存大小可能是不管固定，在C++STL库中，采用哈希表和定长内存池结合的方式实现了一个内存池。具体如下

构造多个定长内存池，以一个固定的对齐数进行对齐（例如以8字节进行对齐），第一个定长内存池的内存对象大小为8（至少得能保证无论在64位还是32位系统下都可以保存下一个指针类型），第二个内存池对象大小为16...最后一个内存池对象大小为128byte，当申请的内存大小超过128字节时，通过二级空间配置器申请（直接从内存中申请）。

构造一个哈希表，将不同大小的内存对象挂在哈希表中。如下图：

申请内存：加入要申请的内存大小为8字节直接在index  = 0处分配一块内存，当然申请的内存小于8字节时也会直接分配8字节的内存。当Free_list[index]为nullptr时从内存中申请一块内存，切割成固定大小‘挂在'Free_list[index]位置。

释放内存：根据内存对象大小，计算index在插入到哈希表中的index位置。

二、简易内存池原理

1、整体设计

1.1 内存池结构

两个链表，RequestMemory和ReleaseMemory。

RequestMemory链表存储的是使用new或者malloc从物理内存申请的还没有被使用的内存块，是一个个的memNode节点。

ReleaseMemory链表存储的是使用完释放回来的固定大小的内存块。

1.2 申请内存

•  先在ReleaseMemory找，如果有内存则直接pop使用
• ReleaseMemory为nullptr时，在RequestMemory中找。
• RequestMemory的头节点表示的是新申请的，申请内存时只需要在头结点中找，判断头结点的useCount和sumCount是否相等。当useCount等于sumCount时表示已经用完了，就需要去物理内存中申请，否则直接从表头push一块。
• 去物理内存申请内存时，申请的大小是上一次申请内存块大小的二倍，并将申请的内存块push到RequestMemory头部。
  

1.3 释放内存

释放内存时，直接将要释放的内存push到ReleaseMemory的头部即可。

2、详细剖析

2.1 blockNode结构

blockNode表示一个个新申请的内存块，用一个结构体进行管理。blockNode成员如下：

• void* _memory：表示新申请的内存块的首地址
• BlockNode * _next：存储next节点
• _objNum：内存块对象的个数

注意：blockNode的大小每次都是上一次的二倍，是一个质数增长，因此应该设置一个上限，当到达一定大小后进行线性增长。这里规定，最大内存块的大小为100000*sizeof(T),T表示的是申请的节点类型。

2.2 单个对象的大小

这里的单个对象指的ReleaseMemory的节点大小，当用户申请的内存大小sizeof(T)小于sizeof(T*)时，为了能够将该对象链接到ReleaseMemory中，应该按照T*进行分配。

3、性能比较

分别使用malloc/free、new/delete、memPool申请和释放110000个内存，时间如下：

三、简易内存池完整源码

#include<iostream>
#include<vector>
#include<ctime>
using namespace std;
 
template<class T>
class MemPool
{
private:
	//内存块结构
	typedef struct BlockNode
	{
		void* _memory;//内存块地址
		BlockNode* _next;//下一个blockNode
		size_t _objNum;//内存块对象的个数
		//构造函数---num表示申请对象的个数
		BlockNode(size_t num)
			:_objNum(num),
			_next(nullptr)
		{
			_memory = malloc(_objNum*_size);
		}
 
		~BlockNode()
		{
			free(_memory);
			_memory = nullptr;
			_next = nullptr;
			_objNum = 0;
		}
	}BlockNode;
protected:
	static size_t _size;//单个对象的大小
	T* _releaseMemory = nullptr;//释放的内存
	BlockNode* _requestMemory;//申请的内存块
	size_t _maxNum;//内存块最大的大小
	size_t _useCount;//当前内存块已经使用的对象个数
protected:
	//设置单个对象的大小
	static size_t setSize()
	{
		return (sizeof(T) >= sizeof(T*) ? sizeof(T):sizeof(T*));
	}
public:
	MemPool()
		:_useCount(0),
		_releaseMemory(nullptr),
		_maxNum(100000*_size)
	{
		//开始先申请32个_size大小的空间
		_requestMemory = new BlockNode(32);
	}
 
	~MemPool()
	{
		BlockNode *cur = _requestMemory;
		while (cur)
		{
			BlockNode* del = cur;
			cur = cur->_next;
			delete del;            //会自动调用~BlockNode()
		}
	}
 
	T* New()
	{
		//先在releaseMemory中找
		if (_releaseMemory)
		{
			T* obj = _releaseMemory;
			_releaseMemory = *((T**)_releaseMemory);//releaseMemory的前几个字节存储的是下一个节点的地址
			return obj;
		}
		else
		{
			//判断requesetMemory中是否还有空闲内存
			if (_requestMemory->_objNum == _useCount)
			{
				//取物理内存中申请一块内存
				size_t size = 2 * _useCount >= _maxNum ? _maxNum : 2 * _useCount;
				BlockNode* newBlock = new BlockNode(size);
 
				newBlock->_next = _requestMemory;
				_requestMemory = newBlock;
				_useCount = 0;
			}
			//走到这里，一定有内存
			T* obj = (T*)((char*)_requestMemory->_memory+_useCount*_size);
 
			_useCount++;
			return new(obj)T();//用定位new对这块空间初始化
		}
	}
 
	void Delete(T* obj)
	{
		if (obj)
		{
			obj->~T();
 
			*((T**)obj) = _releaseMemory;
			_releaseMemory = obj;
		}
	}
};
 
//静态成员变量，类外初始化
template<typename T>
size_t MemPool<T>::_size = MemPool<T>::setSize();
 
struct TreeNode
{
	int _val;
	TreeNode* _left;
	TreeNode* _right;
};
void test1()
{
	MemPool<TreeNode> mp;
 
	vector<TreeNode*> v;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		TreeNode* mem = mp.New();
		v.push_back(mem);
	}
 
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		mp.Delete(v[i]);
	}
}

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