最簡單的記憶體池 原理與實現

2021-08-30 20:13:17 字數 3099 閱讀 3404

記憶體池的主要作用，簡單地說來，便是提高記憶體的使用效率。堆記憶體的申請與釋放（new/delete及malloc/free），涉及複雜的記憶體分配演算法， 相比由簡單cpu指令支援的棧記憶體的申請與釋放，則是慢上了數量級。另一方面，棧的大小是有限制的，在需要大量記憶體的操作時，堆的使用是必要的。當然，頻繁地申請與釋放堆記憶體，效率是很低的，這也就是記憶體池出現的原因。

類似std::vector容器，在向vector裡新增乙個元素之前，該容器往往提前申請了一大塊記憶體，實際新增時就只需要拿出其中一小塊來使用，不用每新增乙個都使用new一次。記憶體池所做的，也就是一次申請一塊大記憶體，然後再小塊小塊地拿出來用：一次申請nm大小的記憶體，必然比n次申請m大小的記憶體要快，這就是記憶體池高效的簡單解釋。

一般來說，記憶體池可以按兩種維度劃分：單執行緒與多執行緒，可變大小和固定大小。其中最簡單的單執行緒固定大小的記憶體池。這類記憶體池只考慮單執行緒的程式，分配與**的物件都是固定大小的。這個簡單的記憶體池類模板宣告如下：

templateclass ******mempool


; struct memblock


;#pragma pack(pop)


******mempool(const ******mempool&) ;


memblock * head;


objectchunk * freechunk;


public:


******mempool();


~******mempool();


t* new();


void delete(t* t);


};
該記憶體池類模板例項化之後，產生乙個只用於申請物件t的記憶體池。建立物件的方法是t* new()，刪除物件的方法是void delete(t *)。類模板中還定義了兩個資料結構及兩個成員變數，還禁止了記憶體池的拷貝構造。對於這種記憶體池，它有兩層的鍊錶結構：第一層是記憶體塊鍊錶（memblock），由成員head為頭，把記憶體池中申請的大塊記憶體串接起來。memblock結構的next指標指向了下乙個記憶體塊，chunks則 為basesize個objectchunk物件。該鍊錶的每個結點都是記憶體池進行一次申請得到的大記憶體塊；第二層為自由記憶體塊鍊錶 （objectchunk），由freechunk為頭指標串著，該鍊錶的每乙個結點，都是乙個可以使用的小記憶體塊。大體結構如下圖（basesize為 5）所示：

當使用者向記憶體池申請乙個物件t時，記憶體池會檢查freechunk是否為null。不為null時，表示還有自由的小記憶體塊（objectchunk）可供使用，將它返回給使用者，並將freechunk移到下乙個自由記憶體塊；若freechunk為null，則記憶體池需要使用 new/malloc從申請一塊大記憶體（memblock），然後將其中的basesize個objectchunk都串連上形成鍊錶，再將 freechunk做為頭指標。這時freechunk不為null了，可以提供給使用者一塊小記憶體了（具體即是，取出鍊錶的首結點）。

template<>


class ******mempool


head->chunks[basesize-1].next = 0;


freechunk = & (head->chunks[0]);


}objectchunk * t = freechunk;


freechunk = freechunk->next;


return reinterpret_cast(t);}};
當使用者不再使用某塊小記憶體時，需要呼叫delete方法。此時，記憶體池把使用者不用的小塊記憶體，重新連線到以freechunk為首指標的鍊錶中就行了（將結點插入鍊錶的首位置）。**如下：

template<>


class ******mempool


};
當記憶體池不在使用時，析構釋放全部記憶體，此時只需要釋放head為首指標的鍊錶的每個結點（遍歷刪除）。**如下：

template<>


class ******mempool()}}
實現中，需要注意的是objectchunk的雙重身份：當它是自由記憶體塊，還未分配給使用者時，它是objectchunk的資料結構，包含乙個鏈 表指標，用於串連；當它分配給使用者時，它退出了自由記憶體塊鍊錶，它被強制轉換為t型別（**中用了reinterpret_cast操作符號強制轉換）， 此時便不再有objectchunk裡的資料，不再需要鍊錶指標。所以objectchunk結構的大小，應該大於或等於t型別的大小（出現大於情況，是 因為objectchunk最小也必須包含乙個指標大小，而t型別卻小於乙個指標大小）。#pragma pack指令的使用，便是盡量使objectchunk的大小符合我們的預期（memblock也一樣）當使用者不再使用t型別物件時，便呼叫了 delete(t*)，此時，t型別裡的資料內容都不再重要了，強制變為objectchunk後，把其內容覆蓋，使用前幾個位元組作為指標，又加入自由內 存煉表中。

總體說來，這個簡單的記憶體池，僅僅實現了一次（向系統）申請，多次分配（給使用者）的功能。對於大記憶體塊（memblock），採取的方法是只申不 放，僅在記憶體池銷毀時才一次性全部釋放。這樣的策略僅僅適用於記憶體申請與釋放頻繁，且記憶體充足的情況。而多執行緒，可變大小的情況，也需要更多考慮。

附完整**：

templateclass ******mempool


; struct memblock


;#pragma pack(pop)


******mempool(const ******mempool&) 


memblock * head;


objectchunk * freechunk;


public:


******mempool() : head(0), freechunk(0)


~******mempool()


}t* new()


head->chunks[basesize-1].next = 0;


freechunk = & (head->chunks[0]);


}objectchunk * t = freechunk;


freechunk = freechunk->next;


return reinterpret_cast(t);


}void delete(t* t)


};

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