內存池設計與實現(xiàn)
內存池設計與實現(xiàn)
一、前言
作為C++程序員，想必對于內存操作這一塊是比較熟悉和操作比較頻繁的；
比如申請一個對象，使用new，申請一塊內存使用malloc等等；
但是，往往會有一些困擾煩惱著大家，主要體現(xiàn)在兩部分：
申請內存后忘記釋放，造成內存泄漏 內存不能循環(huán)使用，造成大量內存碎片
這兩個原因會影響我們程序長期平穩(wěn)的運行，也有可能會導致程序的崩潰；
二、內存池
內存池是池化技術中的一種形式。通常我們在編寫程序的時候回使用 new delete 這些關鍵字來向操作系統(tǒng)申請內存，而這樣造成的后果就是每次申請內存和釋放內存的時候，都需要和操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調用打交道，從堆中分配所需的內存。如果這樣的操作太過頻繁，就會找成大量的內存碎片進而降低內存的分配性能，甚至出現(xiàn)內存分配失敗的情況。
而內存池就是為了解決這個問題而產生的一種技術。從內存分配的概念上看，內存申請無非就是向內存分配方索要一個指針，當向操作系統(tǒng)申請內存時，操作系統(tǒng)需要進行復雜的內存管理調度之后，才能正確的分配出一個相應的指針。而這個分配的過程中，我們還面臨著分配失敗的風險。
所以，每一次進行內存分配，就會消耗一次分配內存的時間，設這個時間為 T，那么進行 n 次分配總共消耗的時間就是
nT；如果我們一開始就確定好我們可能需要多少內存，那么在最初的時候就分配好這樣的一塊內存區(qū)域，當我們需要內存的時候，直接從這塊已經分配好的內存中使用即可，那么總共需要的分配時間僅僅只有 T。當 n 越大時，節(jié)約的時間就越多。---引用來源互聯(lián)網
三、內存池設計
內存池設計實現(xiàn)中主要分為以下幾部分：
重載new 創(chuàng)建內存節(jié)點 創(chuàng)建內存池 管理內存池
下面，比較詳細的來說說設計細節(jié)：
重載new就不說了，直接從內存節(jié)點開始；
內存池節(jié)點
內存池節(jié)點需要包含以下幾點元素：
所屬池子（
pMem），因為后續(xù)在內存池管理中可以直接調用申請內存和釋放內存下一個節(jié)點（
pNext），這里主要是使用鏈表的思路，將所有的內存塊關聯(lián)起來；節(jié)點是否被使用（
bUsed），這里保證每次使用前，該節(jié)點是沒有被使用的；是否屬于內存池（
bBelong），主要是一般內存池維護的空間都不是特別大，但是用戶申請了特別大的內存時，就走正常的申請流程，釋放時也就正常釋放；
內存池設計
內存池設計就是上面的圖片類似，主要包含以下幾點元素：
內存首地址（ _pBuffer），也就是第一塊內存，這樣以后方面尋找后面的內存塊；內存塊頭（ _pHeader），也就是上面說的內存池節(jié)點；內存塊大?。?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 179, 120);">_nSize），也就是每個節(jié)點多大； 節(jié)點數(shù)（ _nBlock），及時有多少個節(jié)點；
這里面需要的注意的是，申請內存塊的時候，需要加上節(jié)點頭，但是申請完后返回給客戶使用的需要去掉頭；但是釋放的時候，需要前移到頭，不然就會出現(xiàn)異常；
釋放內存：
釋放內存的時候，將使用過的內存置為false，然后指向頭部，將頭部作為下一個節(jié)點，這樣的話，節(jié)點每次回收就可以相應的被找到；
內存池管理
內存池創(chuàng)建后，會根據(jù)節(jié)點大小和個數(shù)創(chuàng)建相應的內存池；
內存池管理主要就是根據(jù)不同的需求創(chuàng)建不同的內存池，以達到管理的目的；
這里主要有一個概念：數(shù)組映射
數(shù)組映射就是不同的范圍內，選擇不同的內存池；
添一段代碼：
?void?InitArray(int?nBegin,int?nEnd,?MemoryPool*pMemPool)
?{
??for?(int?i?=?nBegin;?i?<=?nEnd;?i++)
??{
???_Alloc[i]?=?pMemPool;
??}
?}
根據(jù)范圍進行綁定；
四、內存池實現(xiàn)
ManagerPool.hpp
#ifndef?_MEMORYPOOL_HPP_
#define?_MEMORYPOOL_HPP_
#include?
#include?
////一個內存塊的最大內存大小,可以擴展
#define?MAX_MEMORY_SIZE?256
class?MemoryPool;
//內存塊
struct?MemoryBlock
{
?MemoryBlock*?pNext;//下一塊內存塊
?bool?bUsed;//是否使用
?bool?bBelong;//是否屬于內存池
?MemoryPool*?pMem;//屬于哪個池子
};
class?MemoryPool
{
public:
?MemoryPool(size_t?nSize=128,size_t?nBlock=10)
?{
??//相當于申請10塊內存，每塊內存是1024
??_nSize?=?nSize;
??_nBlock?=?nBlock;
??_pHeader?=?NULL;
??_pBuffer?=?NULL;
?}
?virtual?~MemoryPool()
?{
??if?(_pBuffer?!=?NULL)
??{
???free(_pBuffer);
??}
?}
?//申請內存
?void*?AllocMemory(size_t?nSize)
?{
??std::lock_guard<std::mutex>?lock(_mutex);
??//如果首地址為空，說明沒有申請空間
??if?(_pBuffer?==?NULL)
??{
???InitMemory();
??}
??MemoryBlock*?pRes?=?NULL;
??//如果內存池不夠用時，需要重新申請內存
??if?(_pHeader?==?NULL)
??{
???pRes?=?(MemoryBlock*)malloc(nSize+sizeof(MemoryBlock));
???pRes->bBelong?=?false;
???pRes->bUsed?=?false;
???pRes->pNext?=?NULL;
???pRes->pMem?=?NULL;
??}
??else
??{
???pRes?=?_pHeader;
???_pHeader?=?_pHeader->pNext;
???pRes->bUsed?=?true;
??}
??//返回只返回頭后面的信息
??return?((char*)pRes?+?sizeof(MemoryBlock));
?}
?//釋放內存
?void?FreeMemory(void*?p)
?{
??std::lock_guard<std::mutex>?lock(_mutex);
??//和申請內存剛好相反，這里需要包含頭，然后全部釋放
??MemoryBlock*?pBlock?=?((MemoryBlock*)p?-?sizeof(MemoryBlock));
??if?(pBlock->bBelong)
??{
???pBlock->bUsed?=?false;
???//循環(huán)鏈起來
???pBlock->pNext?=?_pHeader;
???pBlock?=?_pHeader;
??}
??else
??{
???//不屬于內存池直接釋放就可以
???free(pBlock);
??}
?}
?//初始化內存塊
?void?InitMemory()
?{
??if?(_pBuffer)
???return;
??//計算每塊的大小
??size_t?PoolSize?=?_nSize?+?sizeof(MemoryBlock);
??//計算需要申請多少內存
??size_t?BuffSize?=?PoolSize?*?_nBlock;
??_pBuffer?=?(char*)malloc(BuffSize);
??//初始化頭
??_pHeader?=?(MemoryBlock*)_pBuffer;
??_pHeader->bUsed?=?false;
??_pHeader->bBelong?=?true;
??_pHeader->pMem?=?this;
??//初始化_nBlock塊，并且用鏈表的形式連接
??//保存頭指針
??MemoryBlock*?tmp1?=?_pHeader;
??for?(size_t?i?=?1;?i???{
???MemoryBlock*?tmp2?=?(MemoryBlock*)(_pBuffer?+?i*PoolSize);
???tmp2->bUsed?=?false;
???tmp2->pNext?=?NULL;
???tmp2->bBelong?=?true;
???_pHeader->pMem?=?this;
???tmp1->pNext?=?tmp2;
???tmp1?=?tmp2;
??}
?}
public:
?//內存首地址（第一塊內存的地址）
?char*?_pBuffer;
?//內存塊頭
?MemoryBlock*?_pHeader;
?//內存塊大小
?size_t?_nSize;
?//多少塊
?size_t?_nBlock;
?std::mutex?_mutex;
};
//可以使用模板傳遞參數(shù)
template<size_t?nSize,size_t?nBlock>
class?MemoryPoolor:public?MemoryPool
{
public:
?MemoryPoolor()
?{
??_nSize?=?nSize;
??_nBlock?=?nBlock;
?}
};
//需要重新對內存池就行管理
class?ManagerPool
{
public:
?static?ManagerPool&?Instance()
?{
??static?ManagerPool?memPool;
??return?memPool;
?}
?void*?AllocMemory(size_t?nSize)
?{
??if?(nSize???{
???return?_Alloc[nSize]->AllocMemory(nSize);
??}
??else
??{
???MemoryBlock*?pRes?=?(MemoryBlock*)malloc(nSize?+?sizeof(MemoryBlock));
???pRes->bBelong?=?false;
???pRes->bUsed?=?true;
???pRes->pMem?=?NULL;
???pRes->pNext?=?NULL;
???return?((char*)pRes?+?sizeof(MemoryBlock));
??}
?}
?//釋放內存
?void?FreeMemory(void*?p)
?{
??MemoryBlock*?pBlock?=?(MemoryBlock*)((char*)p?-?sizeof(MemoryBlock));
??//釋放內存池
??if?(pBlock->bBelong)
??{
???pBlock->pMem->FreeMemory(p);
??}
??else
??{
???free(pBlock);
??}
?}
private:
?ManagerPool()
?{
??InitArray(0,128,?&_memory128);
??InitArray(129,?256,?&_memory256);
?}
?~ManagerPool()
?{
?}
?void?InitArray(int?nBegin,int?nEnd,?MemoryPool*pMemPool)
?{
??for?(int?i?=?nBegin;?i?<=?nEnd;?i++)
??{
???_Alloc[i]?=?pMemPool;
??}
?}
?//可以根據(jù)不同內存塊進行分配
?MemoryPoolor<128,?1000>?_memory128;
?MemoryPoolor<256,?1000>?_memory256;
?//映射數(shù)組
?MemoryPool*?_Alloc[MAX_MEMORY_SIZE?+?1];
};
#endif
OperatorMem.hpp
#ifndef?_OPERATEMEM_HPP_
#define?_OPERATEMEM_HPP_
#include?
#include?
#include?"MemoryPool.hpp"
void*?operator?new(size_t?nSize)
{
?return?ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}
void?operator?delete(void*?p)
{
?return?ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}
void*?operator?new[](size_t?nSize)
{
?return?ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}
void?operator?delete[](void*?p)
{
?return?ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}
#endif
mian.cpp
#include?"OperateMem.hpp"
using?namespace?std;
int?main()
{
?char*?p?=?new?char[128];
?delete[]?p;
?return?0;
}