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      【内存池】C++内存池的简单原理及实现

      首页 知识中心 软件开发 文章详情页

      【内存池】C++内存池的简单原理及实现

      2025-02-14 08:20:10 阅读次数:12

      内存,原理,指针,空闲,释放,链表

      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】C++内存池的简单原理及实现

      【内存池】C++内存池的简单原理及实现

      【内存池】C++内存池的简单原理及实现

       

       

       

      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>  
      //每调一次allocate(), 产生一个chunk,每个chunk含BlockNum个Block,每个Block的size是BlockSize
      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

      原文:C++内存池的简单原理及实现

      版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://blog.csdn.net/bandaoyu/article/details/106735963,作者:bandaoyu,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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