什么是內存池？
在上一篇 C++內存管理：new / delete 和 cookie 中談到，頻繁的調用 malloc 會影響運行效率以及產生額外的 cookie， 而內存池的思想是預先申請一大塊內存，當有內存申請需求時，從內存池中取出一塊內存分配給目標對象。
它的實現過程為：
- 預先申請 chunk 大小的內存池， 將內存池划按照對象大小划分成多個內存塊。
- 以鏈表的形式，即通過指針將內存塊相連，頭指針指向第一個空閑塊。
- 當有內存申請需求時，首先檢查頭指針是否指向空閑塊，如果是則將頭指針指向的第一個空閑塊分配出去（從鏈表移除），同時頭指針指向下一個空閑塊；若頭指針為空，說明當前內存池已分配完，需要重新申請新的內存池。
- 當有內存釋放需求時，將釋放的內存塊重新加入鏈表的表頭，調整頭指針指向新加入的空閑塊。這也意味着，如果申請了多個內存池，在內存釋放的過程中會慢慢的合並到一起。
初步實現
#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; //頭指針
static const int screenChunk; //內存塊數量
private:
int i;
};
Screen* Screen::freeStore = 0;
const int Screen::screenChunk = 5;
void* Screen::operator new(size_t size){
Screen *p;
if (!freeStore) { //內存池是空的
size_t chunk = screenChunk * size;
freeStore = p = reinterpret_cast<Screen*>(new char[chunk]);
for (; p != &freeStore[screenChunk - 1]; ++p) { //以鏈表的形式串聯起來
p->next = p + 1;
}
p->next = 0;
}
p = freeStore;
freeStore = freeStore->next;
return p;
}
void Screen::operator delete(void *p, size_t){
//將內存塊重新加入鏈表表頭，同時調整頭指針
(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) //輸出地址觀察
cout << i << ": " << p[i] << endl;
for (int i = 0; i < N; ++i)
delete p[i];
}
int main(){
test();
return 0;
}
在上面的代碼中設置一個內存池為5個內存塊，當我們進行100次內存申請后，打印出前10個地址查看，可以看到前5個地址是連續的，后5個也是連續的，但中間由於重新申請了內存池，所以不是連續的。
但是這樣的方法還存在着問題，那就是引入了額外的指針內存消耗，接下來將使用embedded pointer進行改進。
使用嵌入指針改進
上面就使用到了嵌入指針，一個 AirplaneRep 對象的大小為 8 字節，而一個 Airplane 的指針大小為 4 字節或 8 字節。在 32 位機器下， 指針可以借用 AirplaneRep 對象所占的 8 字節內存空間中的前 4 個字節，用來連接空閑的內存塊。而當內存塊需要被分配給對象時，此時它已從鏈表中移除，也就不需要指針來連接了。此時的 8 字節內存空間由 AirplaneRep 占據。當內存釋放時也是同理，由於 Rep 和 next 不會同時用到，所以 embedded pointer 的做法可以減少內存消耗。
更簡化：static allocator
前面的實現需要為每個類都重寫 operator new 和 operator delete，由於內容是一樣的，使用另一個類來完成這些重復的操作。
如此一來，我們的 class 只需要去調用 allocator 即可完成內存的申請和釋放工作。
#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,任意數, 隨意看看結果
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,任意數, 隨意看看結果
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，每次還要寫一大堆重復的內容，於是可以使用宏進一步簡化：
參考：