一、为什么需要使用内存池
在C/C++中我们通常使用malloc,free或new,delete来动态分配内存。
一方面，因为这些函数涉及到了系统调用，所以频繁的调用必然会导致程序性能的损耗；
另一方面，频繁的分配和释放小块内存会导致大量的内存碎片的产生，当碎片积累到一定的量之后，将无法分配到连续的内存空间，系统不得不进行碎片整理来满足分配到连续的空间，这样不仅会导致系统性能损耗，而且会导致程序对内存的利用率低下。
当然，如果我们的程序不需要频繁的分配和释放小块内存，那就没有使用内存池的必要，直接使用malloc,free或new,delete函数即可。
二、内存池的实现方案
内存池的实现原理大致如下：
提前申请一块大内存由内存池自己管理，并分成小片供给程序使用。程序使用完之后将内存归还到内存池中（并没有真正的从系统释放），当程序再次从内存池中请求内存时，内存池将池子中的可用内存片返回给程序使用。
我们在设计内存池的实现方案时，需要考虑到以下问题：
内存池是否可以自动增长？
如果内存池的最大空间是固定的（也就是非自动增长），那么当内存池中的内存被请求完之后，程序就无法再次从内存池请求到内存。所以需要根据程序对内存的实际使用情况来确定是否需要自动增长。
内存池的总内存占用是否只增不减？
如果内存池是自动增长的，就涉及到了“内存池的总内存占用是否是只增不减”这个问题了。试想，程序从一个自动增长的内存池中请求了1000个大小为100KB的内存片，并在使用完之后全部归还给了内存池，而且假设程序之后的逻辑最多之后请求10个100KB的内存片，那么该内存池中的900个100KB的内存片就一直处于闲置状态，程序的内存占用就一直不会降下来。对内存占用大小有要求的程序需要考虑到这一点。
内存池中内存片的大小是否固定？
如果每次从内存池中的请求的内存片的大小如果不固定，那么内存池中的每个可用内存片的大小就不一致，程序再次请求内存片的时候，内存池就需要在“匹配最佳大小的内存片”和“匹配操作时间”上作出衡量。“最佳大小的内存片”虽然可以减少内存的浪费，但可能会导致“匹配时间”变长。
内存池是否是线程安全的？
是否允许在多个线程中同时从同一个内存池中请求和归还内存片？这个线程安全可以由内存池来实现，也可以由使用者来保证。
内存片分配出去之前和归还到内存池之后，其中的内容是否需要被清除？
程序可能出现将内存片归还给内存池之后，仍然使用内存片的地址指针进行内存读写操作，这样就会导致不可预期的结果。将内容清零只能尽量的（也不一定能）将问题抛出来，但并不能解决任何问题，而且将内容清零会消耗一定的CPU时间。所以，最终最好还是需要由内存池的使用者来保证这种安全性。
是否兼容std::allocator？
STL标准库中的大多类都支持用户提供一个自定义的内存分配器，默认使用的是std::allocator，如std::string：
typedef basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> > string;
如果我们的内存池兼容std::allocator，那么我们就可以使用我们自己的内存池来替换默认的std::allocator分配器，如：
typedef basic_string<char, char_traits<char>, MemoryPoll<char> > mystring;
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三、内存池的具体实现
计划实现一个内存池管理的类MemoryPool，它具有如下特性：
- 内存池的总大小自动增长。
- 内存池中内存片的大小固定。
- 支持线程安全。
- 在内存片被归还之后，清除其中的内容。
- 兼容std::allocator。
因为内存池的内存片的大小是固定的，不涉及到需要匹配最合适大小的内存片，由于会频繁的进行插入、移除的操作，但查找比较少，故选用链表数据结构来管理内存池中的内存片。
MemoryPool中有2个链表，它们都是双向链表（设计成双向链表主要是为了在移除指定元素时，能够快速定位该元素的前后元素，从而在该元素被移除后，将其前后元素连接起来，保证链表的完整性）：
- data_element_ 记录以及分配出去的内存片。
- free_element_ 记录未被分配出去的内存片。
MemoryPool实现代码
代码中使用了std::mutex等C++11才支持的特性，所以需要编译器最低支持C++11：
#ifndef PPX_BASE_MEMORY_POOL_H_
#define PPX_BASE_MEMORY_POOL_H_
#include <climits>
#include <cstddef>
#include <mutex>
namespace ppx {
namespace base {
template <typename T, size_t BlockSize = 4096, bool ZeroOnDeallocate = true>
class MemoryPool {
public:
/* Member types */
typedef T value_type;
typedef T* pointer;
typedef T& reference;
typedef const T* const_pointer;
typedef const T& const_reference;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
typedef std::false_type propagate_on_container_copy_assignment;
typedef std::true_type propagate_on_container_move_assignment;
typedef std::true_type propagate_on_container_swap;
template <typename U> struct rebind {
typedef MemoryPool<U> other;
};
/* Member functions */
MemoryPool() noexcept;
MemoryPool(const MemoryPool& memoryPool) noexcept;
MemoryPool(MemoryPool&& memoryPool) noexcept;
template <class U> MemoryPool(const MemoryPool<U>& memoryPool) noexcept;
~MemoryPool() noexcept;
MemoryPool& operator=(const MemoryPool& memoryPool) = delete;
MemoryPool& operator=(MemoryPool&& memoryPool) noexcept;
pointer address(reference x) const noexcept;
const_pointer address(const_reference x) const noexcept;
// Can only allocate one object at a time. n and hint are ignored
pointer allocate(size_type n = 1, const_pointer hint = 0);
void deallocate(pointer p, size_type n = 1);
size_type max_size() const noexcept;
template <class U, class... Args> void construct(U* p, Args&&... args);
template <class U> void destroy(U* p);
template <class... Args> pointer newElement(Args&&... args);
void deleteElement(pointer p);
private:
struct Element_ {
Element_* pre;
Element_* next;
};
typedef char* data_pointer;
typedef Element_ element_type;
typedef Element_* element_pointer;
element_pointer data_element_;
element_pointer free_element_;
std::recursive_mutex m_;
size_type padPointer(data_pointer p, size_type align) const noexcept;
void allocateBlock();
static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(element_type), "BlockSize too small.");
};
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::size_type
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::padPointer(data_pointer p, size_type align)
const noexcept {
uintptr_t result = reinterpret_cast<uintptr_t>(p);
return ((align - result) % align);
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::MemoryPool()
noexcept {
data_element_ = nullptr;
free_element_ = nullptr;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::MemoryPool(const MemoryPool& memoryPool)
noexcept :
MemoryPool() {
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::MemoryPool(MemoryPool&& memoryPool)
noexcept {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
data_element_ = memoryPool.data_element_;
memoryPool.data_element_ = nullptr;
free_element_ = memoryPool.free_element_;
memoryPool.free_element_ = nullptr;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
template<class U>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::MemoryPool(const MemoryPool<U>& memoryPool)
noexcept :
MemoryPool() {
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>&
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::operator=(MemoryPool&& memoryPool)
noexcept {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
if (this != &memoryPool) {
std::swap(data_element_, memoryPool.data_element_);
std::swap(free_element_, memoryPool.free_element_);
}
return *this;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::~MemoryPool()
noexcept {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
element_pointer curr = data_element_;
while (curr != nullptr) {
element_pointer prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
curr = prev;
}
curr = free_element_;
while (curr != nullptr) {
element_pointer prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
curr = prev;
}
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::pointer
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::address(reference x)
const noexcept {
return &x;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::const_pointer
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::address(const_reference x)
const noexcept {
return &x;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
void
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::allocateBlock() {
// Allocate space for the new block and store a pointer to the previous one
data_pointer new_block = reinterpret_cast<data_pointer> (operator new(BlockSize));
element_pointer new_ele_pointer = reinterpret_cast<element_pointer>(new_block);
new_ele_pointer->pre = nullptr;
new_ele_pointer->next = nullptr;
if (data_element_) {
data_element_->pre = new_ele_pointer;
}
new_ele_pointer->next = data_element_;
data_element_ = new_ele_pointer;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::pointer
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::allocate(size_type n, const_pointer hint) {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
if (free_element_ != nullptr) {
data_pointer body =
reinterpret_cast<data_pointer>(reinterpret_cast<data_pointer>(free_element_) + sizeof(element_type));
size_type bodyPadding = padPointer(body, alignof(element_type));
pointer result = reinterpret_cast<pointer>(reinterpret_cast<data_pointer>(body + bodyPadding));
element_pointer tmp = free_element_;
free_element_ = free_element_->next;
if (free_element_)
free_element_->pre = nullptr;
tmp->next = data_element_;
if (data_element_)
data_element_->pre = tmp;
tmp->pre = nullptr;
data_element_ = tmp;
return result;
}
else {
allocateBlock();
data_pointer body =
reinterpret_cast<data_pointer>(reinterpret_cast<data_pointer>(data_element_) + sizeof(element_type));
size_type bodyPadding = padPointer(body, alignof(element_type));
pointer result = reinterpret_cast<pointer>(reinterpret_cast<data_pointer>(body + bodyPadding));
return result;
}
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline void
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::deallocate(pointer p, size_type n) {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
if (p != nullptr) {
element_pointer ele_p =
reinterpret_cast<element_pointer>(reinterpret_cast<data_pointer>(p) - sizeof(element_type));
if (ZeroOnDeallocate) {
memset(reinterpret_cast<data_pointer>(p), 0, BlockSize - sizeof(element_type));
}
if (ele_p->pre) {
ele_p->pre->next = ele_p->next;
}
if (ele_p->next) {
ele_p->next->pre = ele_p->pre;
}
if (ele_p->pre == nullptr) {
data_element_ = ele_p->next;
}
ele_p->pre = nullptr;
if (free_element_) {
ele_p->next = free_element_;
free_element_->pre = ele_p;
}
else {
ele_p->next = nullptr;
}
free_element_ = ele_p;
}
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::size_type
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::max_size()
const noexcept {
size_type maxBlocks = -1 / BlockSize;
return (BlockSize - sizeof(data_pointer)) / sizeof(element_type) * maxBlocks;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
template <class U, class... Args>
inline void
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::construct(U* p, Args&&... args) {
new (p) U(std::forward<Args>(args)...);
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
template <class U>
inline void
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::destroy(U* p) {
p->~U();
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
template <class... Args>
inline typename MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::pointer
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::newElement(Args&&... args) {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
pointer result = allocate();
construct<value_type>(result, std::forward<Args>(args)...);
return result;
}
template <typename T, size_t BlockSize, bool ZeroOnDeallocate>
inline void
MemoryPool<T, BlockSize, ZeroOnDeallocate>::deleteElement(pointer p) {
std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
if (p != nullptr) {
p->~value_type();
deallocate(p);
}
}
}
}
#endif // PPX_BASE_MEMORY_POOL_H_
使用示例：
#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;
class Apple {
public:
Apple() {
id_ = 0;
cout << "Apple()" << endl;
}
Apple(int id) {
id_ = id;
cout << "Apple(" << id_ << ")" << endl;
}
~Apple() {
cout << "~Apple()" << endl;
}
void SetId(int id) {
id_ = id;
}
int GetId() {
return id_;
}
private:
int id_;
};
void ThreadProc(ppx::base::MemoryPool<char> *mp) {
int i = 0;
while (i++ < 100000) {
char* p0 = (char*)mp->allocate();
char* p1 = (char*)mp->allocate();
mp->deallocate(p0);
char* p2 = (char*)mp->allocate();
mp->deallocate(p1);
mp->deallocate(p2);
}
}
int main()
{
ppx::base::MemoryPool<char> mp;
int i = 0;
while (i++ < 100000) {
char* p0 = (char*)mp.allocate();
char* p1 = (char*)mp.allocate();
mp.deallocate(p0);
char* p2 = (char*)mp.allocate();
mp.deallocate(p1);
mp.deallocate(p2);
}
std::thread th0(ThreadProc, &mp);
std::thread th1(ThreadProc, &mp);
std::thread th2(ThreadProc, &mp);
th0.join();
th1.join();
th2.join();
Apple *apple = nullptr;
{
ppx::base::MemoryPool<Apple> mp2;
apple = mp2.newElement(10);
int a = apple->GetId();
apple->SetId(10);
a = apple->GetId();
mp2.deleteElement(apple);
}
apple->SetId(12);
int b = -4 % 4;
int *a = nullptr;
{
ppx::base::MemoryPool<int, 18> mp3;
a = mp3.allocate();
*a = 100;
//mp3.deallocate(a);
int *b = mp3.allocate();
*b = 200;
//mp3.deallocate(b);
mp3.deallocate(a);
mp3.deallocate(b);
int *c = mp3.allocate();
*c = 300;
}
getchar();
return 0;
}
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