C++內(nèi)存池如何實現(xiàn)

這篇文章主要介紹了C++內(nèi)存池如何實現(xiàn)的相關(guān)知識，內(nèi)容詳細(xì)易懂，操作簡單快捷，具有一定借鑒價值，相信大家閱讀完這篇C++內(nèi)存池如何實現(xiàn)文章都會有所收獲，下面我們一起來看看吧。

一、內(nèi)存池基礎(chǔ)知識

1、什么是內(nèi)存池

1.1 池化技術(shù)

池化技術(shù)是計算機中的一種設(shè)計模式，主要是指：將程序中經(jīng)常要使用的計算機資源預(yù)先申請出來，由程序自己管理，程序在使用時直接從“池”中獲取，不僅保證了程序占有的資源數(shù)量同時減少資源的申請和釋放時間。常見的池化技術(shù)有內(nèi)存池、線程池、連接池等。

1.2 內(nèi)存池

內(nèi)存池是一種動態(tài)內(nèi)存分配與管理技術(shù)。它的核心思想是：預(yù)先申請一段內(nèi)存空間，使用一種高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（哈希、鏈表）進(jìn)行管理，當(dāng)程序需要內(nèi)存時直接從內(nèi)存池中分配一塊內(nèi)存給程序，同樣當(dāng)使用完時在歸還給內(nèi)存池。這樣做的好處是，減少直接使用new/delete、malloc/free等API申請和釋放內(nèi)存的時間，提高程序運行效率；同時，程序每次直接使用new/delete、malloc/free從內(nèi)存中申請空間，會導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題，內(nèi)存池直接申請大塊內(nèi)存就減少了內(nèi)存碎片。

2、內(nèi)存池的作用

2.1 效率問題

通常申請內(nèi)存都是通過new/delete、malloc/free接口直接從內(nèi)存的堆區(qū)申請一塊內(nèi)存，釋放也是直接釋放到堆中。頻繁的申請和釋放必然消耗大量時間，降低程序的運行效率。

例如：假設(shè)每個鏈表的節(jié)點大小為16字節(jié)，當(dāng)鏈表需要經(jīng)常插入節(jié)點時，必然就需要頻繁的內(nèi)存申請操縱，每次從堆中申請16個字節(jié)都要一定的時間開銷，釋放內(nèi)存也需要時間開銷。使用內(nèi)存池，我們可以直接從內(nèi)存中申請“一批節(jié)點”，當(dāng)程序需要內(nèi)存時不用直接去堆中申請，直接將預(yù)先申請好的內(nèi)存分配給程序。

2.2 內(nèi)存碎片

頻繁的從內(nèi)存中申請小塊內(nèi)存會導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題。內(nèi)存碎片分為內(nèi)碎片和外碎片兩種。

1）外碎片

外碎片也就是我們常說的內(nèi)存碎片。例如：我們每次從內(nèi)存中申請一塊16字節(jié)大小的內(nèi)存，內(nèi)存中就會存在很多16個字節(jié)大小的塊，當(dāng)該內(nèi)存釋放時就可能造成內(nèi)存碎片，如下圖：

內(nèi)存中空閑內(nèi)存大小為88字節(jié)，但是我們能申請的最大內(nèi)存塊為21字節(jié)。

2）內(nèi)碎片

內(nèi)碎片是指已經(jīng)分配出去的內(nèi)存中存在的未使用的小塊內(nèi)存。內(nèi)存池技術(shù)雖然解決了內(nèi)存隨便但是又造成了內(nèi)碎片問題，內(nèi)碎片不可避免但是可以通過程序的優(yōu)化減少內(nèi)存內(nèi)碎片。

例如：實際需要是申請10byte的內(nèi)存，定長內(nèi)存池可能會進(jìn)行內(nèi)存對齊，一次性分配了16個字節(jié)的內(nèi)存，多余的6字節(jié)實際并未使用，這6字節(jié)就是內(nèi)存內(nèi)碎片。

3、內(nèi)存池技術(shù)的演進(jìn)

1）最最最最“簡單”的內(nèi)存池

做一個鏈表，指向空閑的內(nèi)存。分配就是從鏈表中取出來一塊返回pop,釋放就是將內(nèi)存在push到鏈表中。需要做好歸并，標(biāo)記和保護(hù)，防止內(nèi)存二次釋放問題。

2）定長內(nèi)存池

實現(xiàn)一個FreeList類，它的本質(zhì)是一個鏈表，節(jié)點是一塊固定大小的內(nèi)存，采用頭插和頭刪的方式申請釋放內(nèi)存。每個固定內(nèi)存分配器里面有兩個鏈表：OpenList用于存儲未分配的空閑內(nèi)存對象（FreeList對象），CloseList用于存儲已經(jīng)分配的內(nèi)存對象。

分配內(nèi)存就是從IOpenLsit中取出一個對象給程序，釋放內(nèi)存就是將對象push到CloseList里。當(dāng)內(nèi)存不夠時，OpenList申請一個大塊內(nèi)存在切割成固定的長度大小的小塊內(nèi)存。

3）C++STL庫中的內(nèi)存池

定長內(nèi)存池存在的問題就是只能申請固定長度的內(nèi)存，而實際中我們需要申請的內(nèi)存大小可能是不管固定，在C++STL庫中，采用哈希表和定長內(nèi)存池結(jié)合的方式實現(xiàn)了一個內(nèi)存池。具體如下

構(gòu)造多個定長內(nèi)存池，以一個固定的對齊數(shù)進(jìn)行對齊（例如以8字節(jié)進(jìn)行對齊），第一個定長內(nèi)存池的內(nèi)存對象大小為8（至少得能保證無論在64位還是32位系統(tǒng)下都可以保存下一個指針類型），第二個內(nèi)存池對象大小為16...最后一個內(nèi)存池對象大小為128byte，當(dāng)申請的內(nèi)存大小超過128字節(jié)時，通過二級空間配置器申請（直接從內(nèi)存中申請）。

構(gòu)造一個哈希表，將不同大小的內(nèi)存對象掛在哈希表中。如下圖：

申請內(nèi)存：加入要申請的內(nèi)存大小為8字節(jié)直接在index  = 0處分配一塊內(nèi)存，當(dāng)然申請的內(nèi)存小于8字節(jié)時也會直接分配8字節(jié)的內(nèi)存。當(dāng)Free_list[index]為nullptr時從內(nèi)存中申請一塊內(nèi)存，切割成固定大小‘掛在"Free_list[index]位置。

釋放內(nèi)存：根據(jù)內(nèi)存對象大小，計算index在插入到哈希表中的index位置。

二、簡易內(nèi)存池原理

1、整體設(shè)計

1.1 內(nèi)存池結(jié)構(gòu)

兩個鏈表，RequestMemory和ReleaseMemory。

RequestMemory鏈表存儲的是使用new或者malloc從物理內(nèi)存申請的還沒有被使用的內(nèi)存塊，是一個個的memNode節(jié)點。

ReleaseMemory鏈表存儲的是使用完釋放回來的固定大小的內(nèi)存塊。

1.2 申請內(nèi)存

•  先在ReleaseMemory找，如果有內(nèi)存則直接pop使用

• ReleaseMemory為nullptr時，在RequestMemory中找。

• RequestMemory的頭節(jié)點表示的是新申請的，申請內(nèi)存時只需要在頭結(jié)點中找，判斷頭結(jié)點的useCount和sumCount是否相等。當(dāng)useCount等于sumCount時表示已經(jīng)用完了，就需要去物理內(nèi)存中申請，否則直接從表頭push一塊。

• 去物理內(nèi)存申請內(nèi)存時，申請的大小是上一次申請內(nèi)存塊大小的二倍，并將申請的內(nèi)存塊push到RequestMemory頭部。
  

1.3 釋放內(nèi)存

釋放內(nèi)存時，直接將要釋放的內(nèi)存push到ReleaseMemory的頭部即可。

2、詳細(xì)剖析

2.1 blockNode結(jié)構(gòu)

blockNode表示一個個新申請的內(nèi)存塊，用一個結(jié)構(gòu)體進(jìn)行管理。blockNode成員如下：

• void* _memory：表示新申請的內(nèi)存塊的首地址

• BlockNode * _next：存儲next節(jié)點

• _objNum：內(nèi)存塊對象的個數(shù)

注意：blockNode的大小每次都是上一次的二倍，是一個質(zhì)數(shù)增長，因此應(yīng)該設(shè)置一個上限，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定大小后進(jìn)行線性增長。這里規(guī)定，最大內(nèi)存塊的大小為100000*sizeof(T),T表示的是申請的節(jié)點類型。

2.2 單個對象的大小

這里的單個對象指的ReleaseMemory的節(jié)點大小，當(dāng)用戶申請的內(nèi)存大小sizeof(T)小于sizeof(T*)時，為了能夠?qū)⒃搶ο箧溄拥絉eleaseMemory中，應(yīng)該按照T*進(jìn)行分配。

3、性能比較

分別使用malloc/free、new/delete、memPool申請和釋放110000個內(nèi)存，時間如下：

三、簡易內(nèi)存池完整源碼

#include<iostream>
#include<vector>
#include<ctime>
using namespace std;
 
template<class T>
class MemPool
{
private:
	//內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)
	typedef struct BlockNode
	{
		void* _memory;//內(nèi)存塊地址
		BlockNode* _next;//下一個blockNode
		size_t _objNum;//內(nèi)存塊對象的個數(shù)
		//構(gòu)造函數(shù)---num表示申請對象的個數(shù)
		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;//單個對象的大小
	T* _releaseMemory = nullptr;//釋放的內(nèi)存
	BlockNode* _requestMemory;//申請的內(nèi)存塊
	size_t _maxNum;//內(nèi)存塊最大的大小
	size_t _useCount;//當(dāng)前內(nèi)存塊已經(jīng)使用的對象個數(shù)
protected:
	//設(shè)置單個對象的大小
	static size_t setSize()
	{
		return (sizeof(T) >= sizeof(T*) ? sizeof(T):sizeof(T*));
	}
public:
	MemPool()
		:_useCount(0),
		_releaseMemory(nullptr),
		_maxNum(100000*_size)
	{
		//開始先申請32個_size大小的空間
		_requestMemory = new BlockNode(32);
	}
 
	~MemPool()
	{
		BlockNode *cur = _requestMemory;
		while (cur)
		{
			BlockNode* del = cur;
			cur = cur->_next;
			delete del;            //會自動調(diào)用~BlockNode()
		}
	}
 
	T* New()
	{
		//先在releaseMemory中找
		if (_releaseMemory)
		{
			T* obj = _releaseMemory;
			_releaseMemory = *((T**)_releaseMemory);//releaseMemory的前幾個字節(jié)存儲的是下一個節(jié)點的地址
			return obj;
		}
		else
		{
			//判斷requesetMemory中是否還有空閑內(nèi)存
			if (_requestMemory->_objNum == _useCount)
			{
				//取物理內(nèi)存中申請一塊內(nèi)存
				size_t size = 2 * _useCount >= _maxNum ? _maxNum : 2 * _useCount;
				BlockNode* newBlock = new BlockNode(size);
 
				newBlock->_next = _requestMemory;
				_requestMemory = newBlock;
				_useCount = 0;
			}
			//走到這里，一定有內(nèi)存
			T* obj = (T*)((char*)_requestMemory->_memory+_useCount*_size);
 
			_useCount++;
			return new(obj)T();//用定位new對這塊空間初始化
		}
	}
 
	void Delete(T* obj)
	{
		if (obj)
		{
			obj->~T();
 
			*((T**)obj) = _releaseMemory;
			_releaseMemory = obj;
		}
	}
};
 
//靜態(tài)成員變量，類外初始化
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]);
	}
}

關(guān)于“C++內(nèi)存池如何實現(xiàn)”這篇文章的內(nèi)容就介紹到這里，感謝各位的閱讀！相信大家對“C++內(nèi)存池如何實現(xiàn)”知識都有一定的了解，大家如果還想學(xué)習(xí)更多知識，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。