C++中内存池的原理及实现方法是什么

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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。

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。

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_

main.cpp

#include <iostream>
#include "memory_pool.hpp"

class MyObject
{
public:
    MyObject(int x): data(x)
    {
        //std::cout << "contruct object" << std::endl;
    }

    ~MyObject()
    {
        //std::cout << "destruct object" << std::endl;
    }

    int data;

    // override new and delete to use memory pool
    void* operator new(size_t size);
    void operator delete(void* p);
    void* operator new[](size_t size);
    void operator delete[](void* p);
};

// define memory pool with block size as class size
MemoryPool<sizeof(MyObject), 3> gMemPool;

void* MyObject::operator new(size_t size)
{
    //std::cout << "new object space" << std::endl;
    return gMemPool.allocate();
}

void MyObject::operator delete(void* p)
{
    //std::cout << "free object space" << std::endl;
    gMemPool.deallocate(p);
}

void* MyObject::operator new[](size_t size)
{
    // TODO: not supported continuous memoery pool for now
    //return gMemPool.allocate(size);
    return NULL;
}
void MyObject::operator delete[](void* p)
{
    // TODO: not supported continuous memoery pool for now
    //gMemPool.deallocate(p);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    MyObject* p1 = new MyObject(1);
    std::cout << "p1 " << p1 << " " << p1->data<< std::endl;

    MyObject* p2 = new MyObject(2);
    std::cout << "p2 " << p2 << " " << p2->data << std::endl;
    delete p2;

    MyObject* p3 = new MyObject(3);
    std::cout << "p3 " << p3 << " " << p3->data << std::endl;

    MyObject* p4 = new MyObject(4);
    std::cout << "p4 " << p4 << " " << p4->data << std::endl;

    MyObject* p5 = new MyObject(5);
    std::cout << "p5 " << p5 << " " << p5->data << std::endl;

    MyObject* p6 = new MyObject(6);
    std::cout << "p6 " << p6 << " " << p6->data << std::endl;

    delete p1;
    delete p2;
    //delete p3;
    delete p4;
    delete p5;
    delete p6;

    getchar();
    return 0;
}

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