內存池的原理及實現

在軟件開發中，有些對象使用非常頻繁，那么我們可以預先在堆中實例化一些對象，我們把維護這些對象的結構叫“內存池”。在需要用的時候，直接從內存池中拿，而不用從新實例化，在要銷毀的時候，不是直接free/delete，而是返還給內存池。

把那些常用的對象存在內存池中，就不用頻繁的分配/回收內存，可以相對減少內存碎片，更重要的是實例化這樣的對象更快，回收也更快。當內存池中的對象不夠用的時候就擴容。

我的內存池實現如下：

#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);     \
}   

測試代碼如下：

#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; 
}

運行結果如下圖：

不到100行代碼，有兩個public方法New和Delete；還有一個Clear方法，這個方法的存在取決於是否定義了宏CanFree，如果定義了這個宏，那么對象是一個個的實例化，在調用Clear的時候可以一個個的回收，如果沒有定義，那么是一次分配一塊較大的內存，然后在這塊內存上實例化多個對象，但沒有實現回收這塊內存的方法，如果要回收這樣的大塊內存塊，就必須將這些內存塊的首地址存起來，我這里沒有存起來，而且還要標記對象是否使用，那么Proxy<T>還要加一個字段表示是否使用，在回收的時候還要判斷所有對象是否沒有使用，只有都沒使用才能回收，妹的，為了回收弄得這么麻煩，話說你為什么要回收內存池呢，於是就沒有實現回收的方法。整個內存池其實就是一個單鏈表，表頭指向第一個沒有使用節點，我們可以把這個單鏈表想象成一段鏈條，調用方法New就是從鏈條的一端（單鏈表表頭）取走一節點，調用方法Delete就是在鏈條的一端（單鏈表表頭）前面插入一個節點，新插入的節點就是鏈表的表頭，這樣New和Delete的時間復雜度都是O(1)，那叫一個快。

所有要使用內存池的對象，只需要在這個對象中引入宏NewAndDelete，這個宏其實就是重寫對象的new和delete方法，讓對象的創建和回收都通過內存池來實現，所有用內存池實現的對象使用起來和別的對象基本上是一樣，唯一的一個問題就是內存池對象對象不是線程安全的，在多線程編程中，創建一個對象時必須枷鎖。如果在New和Delete的實現中都加個鎖，我又覺得他太影響性能，畢竟很多時候是不需要枷鎖，有些對象可能有不用於多線程，對於這個問題，求高手指點！