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。
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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。
三,内存池设计
算法原理:
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
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
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
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
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_
复制代码
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
在内存分配和释放的环节需要加锁来保证线程安全
还没有实现对象数组的分配和释放
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