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一文带你玩转C++内存池的简单原理及实现(纯代码解析)

2022-05-15 12:33 作者:补给站Linux内核  | 我要投稿



一,为什么要用内存池

  • C++程序默认的内存管理(new,delete,malloc,free)会频繁地在堆上分配和释放内存,导致性能的损失,产生大量的内存碎片,降低内存的利用率。默认的内存管理因为被设计的比较通用,所以在性能上并不能做到极致。

  • 因此,很多时候需要根据业务需求设计专用内存管理器,便于针对特定数据结构和使用场合的内存管理,比如:内存池。

二,内存池原理

  • 内存池的思想是,在真正使用内存之前,预先申请分配一定数量、大小预设的内存块留作备用。当有新的内存需求时,就从内存池中分出一部分内存块,若内存块不够再继续申请新的内存,当内存释放后就回归到内存块留作后续的复用,使得内存使用效率得到提升,一般也不会产生不可控制的内存碎片。

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三,内存池设计

  • 算法原理:

  1. 预申请一个内存区chunk,将内存中按照对象大小划分成多个内存块block

  2. 维持一个空闲内存块链表,通过指针相连,标记头指针为第一个空闲块

  3. 每次新申请一个对象的空间,则将该内存块从空闲链表中去除,更新空闲链表头指针

  4. 每次释放一个对象的空间,则重新将该内存块加到空闲链表头

  5. 如果一个内存区占满了,则新开辟一个内存区,维持一个内存区的链表,同指针相连,头指针指向最新的内存区,新的内存块从该区内重新划分和申请

  • 如图所示:

内存池实现

  • memory_pool.hpp

#ifndef _MEMORY_POOL_H_
#define _MEMORY_POOL_H_

#include <stdint.h>
#include <mutex>

template<size_t BlockSize, size_t BlockNum = 10>
class MemoryPool
{
public:
	MemoryPool()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx); // avoid race condition

		// init empty memory pointer
		free_block_head = NULL;
		mem_chunk_head = NULL;
	}

	~MemoryPool()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx); // avoid race condition

		// destruct automatically
		MemChunk* p;
		while (mem_chunk_head)
		{
			p = mem_chunk_head->next;
			delete mem_chunk_head;
			mem_chunk_head = p;
		}
	}

	void* allocate()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx); // avoid race condition

		// allocate one object memory

		// if no free block in current chunk, should create new chunk
		if (!free_block_head)
		{
			// malloc mem chunk
			MemChunk* new_chunk = new MemChunk;
			new_chunk->next = NULL;

			// set this chunk's first block as free block head
			free_block_head = &(new_chunk->blocks[0]);

			// link the new chunk's all blocks
			for (int i = 1; i < BlockNum; i++)
				new_chunk->blocks[i - 1].next = &(new_chunk->blocks[i]);
			new_chunk->blocks[BlockNum - 1].next = NULL; // final block next is NULL
			
			if (!mem_chunk_head)
				mem_chunk_head = new_chunk;
			else
			{
				// add new chunk to chunk list
				mem_chunk_head->next = new_chunk;
				mem_chunk_head = new_chunk;
			}
		}

		// allocate the current free block to the object
		void* object_block = free_block_head;
		free_block_head = free_block_head->next; 

		return object_block;
	}

	void* allocate(size_t size)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(array_mtx); // avoid race condition for continuous memory

		// calculate objects num
		int n = size / BlockSize;

		// allocate n objects in continuous memory
		
		// FIXME: make sure n > 0
		void* p = allocate();

		for (int i = 1; i < n; i++)
			allocate();

		return p;
	}

	void deallocate(void* p)
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx); // avoid race condition

		// free object memory
		FreeBlock* block = static_cast<FreeBlock*>(p);
		block->next = free_block_head; // insert the free block to head
		free_block_head = block;
	}

private:
	// free node block, every block size exactly can contain one object
	struct FreeBlock
	{
		unsigned char data[BlockSize];
		FreeBlock* next;
	};

	FreeBlock* free_block_head;

	// memory chunk, every chunk contains blocks number with fixed BlockNum
	struct MemChunk
	{
		FreeBlock blocks[BlockNum];
		MemChunk* next;
	};

	MemChunk* mem_chunk_head;

	// thread safe related
	std::mutex mtx;
	std::mutex array_mtx;
};

#endif // !_MEMORY_POOL_H_

运行结果:

p1 00000174BEDE0440 1
p2 00000174BEDE0450 2
p3 00000174BEDE0450 3
p4 00000174BEDE0460 4
p5 00000174BEDD5310 5
p6 00000174BEDD5320 6
  • 可以看到内存地址是连续,并且回收一个节点后,依然有序地开辟内存

  • 对象先开辟内存再构造,先析构再释放内存

注意

  1. 在内存分配和释放的环节需要加锁来保证线程安全

  2. 还没有实现对象数组的分配和释放


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