内存池的原理及实现

在软件开发中，有些对象使用非常频繁，那么我们可以预先在堆中实例化一些对象，我们把维护这些对象的结构叫“内存池”。在需要用的时候，直接从内存池中拿，而不用从新实例化，在要销毁的时候，不是直接free/delete，而是返还给内存池。

把那些常用的对象存在内存池中，就不用频繁的分配/回收内存，可以相对减少内存碎片，更重要的是实例化这样的对象更快，回收也更快。当内存池中的对象不够用的时候就扩容。

我的内存池实现如下：

#pragma once
#include <assert.h>

template<typename T>
struct ProxyT
{ 
    ProxyT():next(NULL){} 
    T data;
    ProxyT* next;
};

template<typename T>
class MemoryPool
{
public:
    static void* New()
    {
        if(next==NULL)
        {
            Alloc();
        }
        assert(next!=NULL);
        ProxyT<T>* cur=next;
        next=next->next;
        return cur;
    }

    static void Delete(void* ptr)
    {
        ProxyT<T>* cur=static_cast<ProxyT<T>*>(ptr);
        cur->next=next;
        next=cur; 
    }

#ifdef CanFree
    static void Clear()
    {
        ProxyT<T>* proxy=NULL;
        while(next!=NULL)
        {
            proxy=next->next;
            delete next;
            next=proxy->next;
        }
        next=NULL;
    }
#endif
    
private: 
    static void Alloc(size_t size=16)
    {
        if(next==NULL)
        {
        #ifdef CanFree
            ProxyT<T>* tmpProxy=new ProxyT<T>();
            next=tmpProxy;
            for(int i=1;i<size;i++)
            { 
                tmpProxy->next=new ProxyT<T>();
                tmpProxy=tmpProxy->next;
            } 
        #else
            ProxyT<T>* memory=(ProxyT<T>*)malloc(size*sizeof(ProxyT<T>));
            ProxyT<T>* tmpProxy=new (memory) ProxyT<T>();
            next=tmpProxy;
            for (size_t i=1;i<size;i++)
            {
                tmpProxy->next=new (memory+i) ProxyT<T>();
                tmpProxy=tmpProxy->next;
            }
        #endif

        }
    }
 
    static ProxyT<T>* next; 
    MemoryPool<T>();
    MemoryPool<T>(const MemoryPool<T>&);
};

template<typename T> ProxyT<T>* MemoryPool<T>::next=NULL; 

#define NewAndDelete(className)             \
static void* operator new(size_t size)      \
{                                           \
    return MemoryPool<className>::New();    \
}                                           \
static void operator delete(void* ptr)      \
{                                           \
    MemoryPool<className>::Delete(ptr);     \
}   

测试代码如下：

#include "stdafx.h" 
#define CanFree
#include "MemoryPool.h"
 
struct A
{ 
    int i; 
    NewAndDelete(A) 
};
  
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{   
     
    { 
        vector<A*> vect;
        for(int i=0;i<16;i++)
        {
            A* a=new A();
            a->i=i;
            vect.push_back(a);
        }
        for(int i=0;i<vect.size();i++)
        {
            cout<<vect[i]->i<<endl;
        }
        for(int i=vect.size()-1;i>=0;i--)
        {
            delete vect[i];
        }
        vect.clear();
        
        MemoryPool<A>::Clear();
    }
   
    system("pause");
    return 0; 
}

运行结果如下图：

不到100行代码，有两个public方法New和Delete；还有一个Clear方法，这个方法的存在取决于是否定义了宏CanFree，如果定义了这个宏，那么对象是一个个的实例化，在调用Clear的时候可以一个个的回收，如果没有定义，那么是一次分配一块较大的内存，然后在这块内存上实例化多个对象，但没有实现回收这块内存的方法，如果要回收这样的大块内存块，就必须将这些内存块的首地址存起来，我这里没有存起来，而且还要标记对象是否使用，那么Proxy<T>还要加一个字段表示是否使用，在回收的时候还要判断所有对象是否没有使用，只有都没使用才能回收，妹的，为了回收弄得这么麻烦，话说你为什么要回收内存池呢，于是就没有实现回收的方法。整个内存池其实就是一个单链表，表头指向第一个没有使用节点，我们可以把这个单链表想象成一段链条，调用方法New就是从链条的一端（单链表表头）取走一节点，调用方法Delete就是在链条的一端（单链表表头）前面插入一个节点，新插入的节点就是链表的表头，这样New和Delete的时间复杂度都是O(1)，那叫一个快。

所有要使用内存池的对象，只需要在这个对象中引入宏NewAndDelete，这个宏其实就是重写对象的new和delete方法，让对象的创建和回收都通过内存池来实现，所有用内存池实现的对象使用起来和别的对象基本上是一样，唯一的一个问题就是内存池对象对象不是线程安全的，在多线程编程中，创建一个对象时必须枷锁。如果在New和Delete的实现中都加个锁，我又觉得他太影响性能，毕竟很多时候是不需要枷锁，有些对象可能有不用于多线程，对于这个问题，求高手指点！