C++内存管理：简易内存池的实现
什么是内存池？
在上一篇 C++内存管理：new / delete 和 cookie 中谈到，频繁的调用 malloc 会影响运行效率以及产生额外的 cookie， 而内存池的思想是预先申请一大块内存，当有内存申请需求时，从内存池中取出一块内存分配给目标对象。
它的实现过程为：
- 预先申请 chunk 大小的内存池， 将内存池划按照对象大小划分成多个内存块。
- 以链表的形式，即通过指针将内存块相连，头指针指向第一个空闲块。
- 当有内存申请需求时，首先检查头指针是否指向空闲块，如果是则将头指针指向的第一个空闲块分配出去（从链表移除），同时头指针指向下一个空闲块；若头指针为空，说明当前内存池已分配完，需要重新申请新的内存池。
- 当有内存释放需求时，将释放的内存块重新加入链表的表头，调整头指针指向新加入的空闲块。这也意味着，如果申请了多个内存池，在内存释放的过程中会慢慢的合并到一起。
初步实现
#include <iostream>
using namespace std;
class Screen {
public:
Screen(int x) : i(x) { };
int get() { return i; }
void* operator new(size_t);
void operator delete(void*, size_t);
private:
Screen* next;
static Screen* freeStore; //头指针
static const int screenChunk; //内存块数量
private:
int i;
};
Screen* Screen::freeStore = 0;
const int Screen::screenChunk = 5;
void* Screen::operator new(size_t size){
Screen *p;
if (!freeStore) { //内存池是空的
size_t chunk = screenChunk * size;
freeStore = p = reinterpret_cast<Screen*>(new char[chunk]);
for (; p != &freeStore[screenChunk - 1]; ++p) { //以链表的形式串联起来
p->next = p + 1;
}
p->next = 0;
}
p = freeStore;
freeStore = freeStore->next;
return p;
}
void Screen::operator delete(void *p, size_t){
//将内存块重新加入链表表头，同时调整头指针
(static_cast<Screen*>(p))->next = freeStore;
freeStore = static_cast<Screen*>(p);
}
//-------------
void test(){
cout << "Size: " << sizeof(Screen) << endl;
size_t const N = 100;
Screen* p[N];
for (int i = 0; i < N; ++i)
p[i] = new Screen(i);
for (int i = 0; i < 10; ++i) //输出地址观察
cout << i << ": " << p[i] << endl;
for (int i = 0; i < N; ++i)
delete p[i];
}
int main(){
test();
return 0;
}
在上面的代码中设置一个内存池为5个内存块，当我们进行100次内存申请后，打印出前10个地址查看，可以看到前5个地址是连续的，后5个也是连续的，但中间由于重新申请了内存池，所以不是连续的。
但是这样的方法还存在着问题，那就是引入了额外的指针内存消耗，接下来将使用embedded pointer进行改进。
使用嵌入指针改进
上面就使用到了嵌入指针，一个 AirplaneRep 对象的大小为 8 字节，而一个 Airplane 的指针大小为 4 字节或 8 字节。在 32 位机器下， 指针可以借用 AirplaneRep 对象所占的 8 字节内存空间中的前 4 个字节，用来连接空闲的内存块。而当内存块需要被分配给对象时，此时它已从链表中移除，也就不需要指针来连接了。此时的 8 字节内存空间由 AirplaneRep 占据。当内存释放时也是同理，由于 Rep 和 next 不会同时用到，所以 embedded pointer 的做法可以减少内存消耗。
更简化：static allocator
前面的实现需要为每个类都重写 operator new 和 operator delete，由于内容是一样的，使用另一个类来完成这些重复的操作。
如此一来，我们的 class 只需要去调用 allocator 即可完成内存的申请和释放工作。
#include <iostream>
#include <complex>
using namespace std;
namespace jj09{
class allocator{
private:
struct obj {
struct obj* next; //embedded pointer
};
public:
void* allocate(size_t);
void deallocate(void*, size_t);
void check();
private:
obj* freeStore = nullptr;
const int CHUNK = 5;
};
void* allocator::allocate(size_t size){
obj* p;
if (!freeStore) {
size_t chunk = CHUNK * size;
freeStore = p = (obj*)malloc(chunk);
for (int i = 0; i < (CHUNK - 1); ++i) {
p->next = (obj*)((char*)p + size);
p = p->next;
}
p->next = nullptr; //last
}
p = freeStore;
freeStore = freeStore->next;
return p;
}
void allocator::deallocate(void* p, size_t){
((obj*)p)->next = freeStore;
freeStore = (obj*)p;
}
void allocator::check(){
obj* p = freeStore;
int count = 0;
while (p) {
cout << p << endl;
p = p->next;
count++;
}
cout << count << endl;
}
//--------------
class Foo {
public:
long L;
string str;
static allocator myAlloc;
public:
Foo(long l) : L(l) { }
static void* operator new(size_t size){
return myAlloc.allocate(size);
}
static void operator delete(void* pdead, size_t size){
return myAlloc.deallocate(pdead, size);
}
};
allocator Foo::myAlloc;
class Goo {
public:
complex<double> c;
string str;
static allocator myAlloc;
public:
Goo(const complex<double>& x) : c(x) { }
static void* operator new(size_t size){
return myAlloc.allocate(size);
}
static void operator delete(void* pdead, size_t size){
return myAlloc.deallocate(pdead, size);
}
};
allocator Goo::myAlloc;
//-------------
void test_static_allocator_3(){
Foo* p[100];
cout << "sizeof(Foo)= " << sizeof(Foo) << endl;
for (int i = 0; i < 23; ++i) { //23,任意数, 随意看看结果
p[i] = new Foo(i);
cout << p[i] << ' ' << p[i]->L << endl;
}
//Foo::myAlloc.check();
for (int i = 0; i < 23; ++i) {
delete p[i];
}
//Foo::myAlloc.check();
{
Goo* p[100];
cout << "sizeof(Goo)= " << sizeof(Goo) << endl;
for (int i = 0; i < 17; ++i) { //17,任意数, 随意看看结果
p[i] = new Goo(complex<double>(i, i));
cout << p[i] << ' ' << p[i]->c << endl;
}
//Goo::myAlloc.check();
for (int i = 0; i < 17; ++i) {
delete p[i];
}
//Goo::myAlloc.check();
}
}
} //namespace
int main(void)
{
jj09::test_static_allocator_3();
return 0;
}
macor for static allocator
在上面的 Foo 和 Goo 中，每次还要写一大堆重复的内容，于是可以使用宏进一步简化：
参考：
