c++内存池作用和优势 |
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c++内存池作用和优势
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C/C++下内存管理是让几乎每一个程序员头疼的问题，分配足够的内存、追踪内存的分配、在不需要的时候释放内存——这个任务相当复杂。而直接使用系统调用malloc/free、new/delete进行内存分配和释放，有以下弊端：
1.调用malloc/new,系统需要根据“最先匹配”、“最优匹配”或其他算法在内存空闲块表中查找一块空闲内存，调用free/delete,系统可能需要合并空闲内存块，这些会产生额外开销;
2.频繁使用时会产生大量内存碎片，从而降低程序运行效率;
3.容易造成内存泄漏;
内存池（memory pool)是代替直接调用malloc/free、new/delete进行内存管理的常用方法，当我们申请内存空间时，首先到我们的内存池中查找合适的内存块，而不是直接向操作系统申请，优势在于：
1.比malloc/free进行内存申请/释放的方式快;
2.不会产生或很少产生堆碎片; 3.可避免内存泄漏; 内存池(memory)作为进程内存的管理方式之一，含有必要弄清楚它的工作原理。内存池的一个简单应用就是c++的二级配置器： 首先我们来看看union obj联合体： union obj { union obj *free_list_link; char client_data[1]; };在内存池中所有的空闲块都以这样的方式连接起来，我们知道这个联合体的大小为4Byte，书中描述为这样：由于union之故，从其第一字段观之，obj可被视为一个指针，指向相同形式的另一个obj。从其第二字段观之，obj可被视为一个指针，指向实际区块。也就是说如果我们用下面的方式取出内存池中的可用内存： // 使用时将其取出，指向下一个区块的free_list_link此时就被我们当做空闲区域来使用了，因而不会额外占用空间 obj *myBlock = free_list; free_list = free_list->free_list_link; // 之后直接使用myBlock->client_data来访问该内存区域 也就是说： printf("%x\n", myblock); printf("%x\n", myblock->client_data); 它们的地址是一样的，但是为什么要这样呢？在一般情况下，假设我们利用malloc申请了一块内存，那么它返回的是void*的指针，如果我们要使用这块内存，假设我们要让它存放char型的数据，要进行(char *)myblock的转换。但是这里我们不需要转换，直接使用myblock-client_data进行，就可以以char*类型获得这块内存的首地址！！这这使得 操作更加方便！！！
在内存池中取空闲块：
回收内存块：
第一段源码 #include #include #include #include #include using namespace std; template class __default_alloc_template { private: # ifndef __SUNPRO_CC enum { __ALIGN = 8 };//最小内存块，其它都是align的倍数，直到128Byte为止 enum { __MAX_BYTES = 128 }; enum { __NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN };//链表大小为16 # endif static size_t ROUND_UP(size_t bytes) { //将bytes上调至8的整数倍 return (((bytes)+__ALIGN - 1) & ~(__ALIGN - 1)); } private: union obj { union obj * free_list_link; char client_data[1]; /* The client sees this. */ }; private: # ifdef __SUNPRO_CC static obj * __VOLATILE free_list[]; // Specifying a size results in duplicate def for 4.1 # else //__NFREELISTS值为16，对应链表维护内存大小为8、16、…、128 static obj * __VOLATILE free_list[__NFREELISTS]; # endif //根据bytes大小，在16个链表中选取合适的那个 static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) { return (((bytes)+__ALIGN - 1) / __ALIGN - 1); } static void *refill(size_t n); /* 配置一大块空间，可容纳nobjs个size大小的区块，如果配置 nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低。 */ static char *chunk_alloc(size_t size, int &nobjs); static char *start_free;//内存池起始位置 static char *end_free;//内存池结束位置 static size_t heap_size;//在堆上已有内存的大小，已使用的,记录已用作内存池的堆上内存的大小 public: /* n must be > 0 */ static void * allocate(size_t n){ obj * __VOLATILE * my_free_list; obj * __RESTRICT result; if (n > (size_t)__MAX_BYTES) {//如果配置内存大于__MAX_BYTES，使用第一级配置器 return(malloc_alloc::allocate(n)); } my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);//在16个free lists中找到对应的那个 result = *my_free_list;//将对应第一个空闲块的地址赋值给result if (result == 0) {//如果没找可用的free list，那么重新填充free list void *r = refill(ROUND_UP(n));//如果result没有满足，就新建20个这样块 return r; } //调整free list *my_free_list = result->free_list_link; return (result); }; /* p may not be 0 */ static void deallocate(void *p, size_t n){ obj *q = (obj *)p; obj * __VOLATILE * my_free_list; if (n > (size_t)__MAX_BYTES) {//调用第一级配置器的释放函数 malloc_alloc::deallocate(p, n); return; } //在16个free lists中找到对应的那个 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); q->free_list_link = *my_free_list; *my_free_list = q; } static void * reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz); }; /* 扩展现有内存，重新分配内存，要把旧内存内容拷贝到新内存 */ template void*__default_alloc_template::reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz){ void * result; size_t copy_sz; //如果就内存和新内存都大于_MAX_BYTES，直接调用realloc if (old_sz > (size_t)__MAX_BYTES && new_sz > (size_t)__MAX_BYTES) { return(realloc(p, new_sz)); } //内存大小没变化（没变化是指经过上调为8的整数倍后没变化），直接返回 if (ROUND_UP(old_sz) == ROUND_UP(new_sz)) return(p); result = allocate(new_sz);//分配新内存 copy_sz = new_sz > old_sz ? old_sz : new_sz; memcpy(result, p, copy_sz);//拷贝旧内存的数据到新内存 deallocate(p, old_sz);//释放就内存 return(result); } 第二段源码： template void* __default_alloc_template::refill(size_t n){ int nobjs = 20; char * chunk = chunk_alloc(n, nobjs); obj * __VOLATILE * my_free_list; obj * result; obj * current_obj, *next_obj; int i; //如果只够一个块的大小 if (1 == nobjs) return(chunk); my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); /* Build free list in chunk */ //在chunk中建立free list result = (obj *)chunk; *my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + n); for (i = 1;; i++) {//从1开始，第0个返回给客户端 current_obj = next_obj; next_obj = (obj *)((char *)next_obj + n); if (nobjs - 1 == i) { current_obj->free_list_link = 0;//最后一个块的指针设为NULL break; } else { current_obj->free_list_link = next_obj; } } return(result); } 第三段源码(核心)： #include #include #include #include #include using namespace std; template char* __default_alloc_template::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs){ char * result; size_t total_bytes = size * nobjs;//要配置的空间大小 size_t bytes_left = end_free - start_free;//内存池大小 if (bytes_left >= total_bytes) {//内存池空间满足需求,可以一次分配20个size的大小 result = start_free; start_free += total_bytes; return(result); } else if (bytes_left >= size) {//内存池空间不够，但是足够供应一个（含）以上的块 nobjs = bytes_left / size; total_bytes = size * nobjs; result = start_free; start_free += total_bytes; return(result); } else { //内存池剩余空间大小连一个块大小都无法提供 size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4); //尝试内存池中的参与零头还有利用价值 if (bytes_left > 0) {// obj * __VOLATILE * my_free_list =//找到对应的free list free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left); //调整free list，将内存池空间编入 ((obj *)start_free)->free_list_link = *my_free_list; *my_free_list = (obj *)start_free; } //配置heap，用来补充内存池 start_free = (char *)malloc(bytes_to_get); if (0 == start_free) {//如果配置失败，就在free_list其它空闲内存中抽取利用 int i; obj * __VOLATILE * my_free_list, *p; /*尝试用现有的，这不会造成破坏。我们不尝试配置较小的区块，因为这样做将会在多线程机器上造成灾难*/ //搜索适当free list，适当是指“尚未用区块，且足够大”的free list for (i = size; i free_list_link; start_free = (char *)p; end_free = start_free + i; //递归调用自己，修正nobjs return(chunk_alloc(size, nobjs)); // Any leftover piece will eventually make it to the // right free list. //任何参与的零头将会被编入适当地free list中备用 } } //如果出现意外，到处无可用内存 end_free = 0; // In case of exception. //调用第一级配置器，看看out-of-memory机制能否尽点力 start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get); //这里可能会抛出异常，或内存不足情况得到改善。 } //到这里表示调用malloc成功 heap_size += bytes_to_get; end_free = start_free + bytes_to_get; //递归调用自己，修正nobjs return(chunk_alloc(size, nobjs)); } } 最后梳理一下整个内存池在内存分配中的逻辑：
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