內(nèi)存池設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、前言

作為C 程序員，想必對(duì)于內(nèi)存操作這一塊是比較熟悉和操作比較頻繁的；

比如申請(qǐng)一個(gè)對(duì)象，使用new，申請(qǐng)一塊內(nèi)存使用malloc等等；

但是，往往會(huì)有一些困擾煩惱著大家，主要體現(xiàn)在兩部分：

• 申請(qǐng)內(nèi)存后忘記釋放，造成內(nèi)存泄漏
• 內(nèi)存不能循環(huán)使用，造成大量內(nèi)存碎片

這兩個(gè)原因會(huì)影響我們程序長期平穩(wěn)的運(yùn)行，也有可能會(huì)導(dǎo)致程序的崩潰；

二、內(nèi)存池

內(nèi)存池是池化技術(shù)中的一種形式。通常我們?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候回使用 new delete 這些關(guān)鍵字來向操作系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)存，而這樣造成的后果就是每次申請(qǐng)內(nèi)存和釋放內(nèi)存的時(shí)候，都需要和操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用打交道，從堆中分配所需的內(nèi)存。如果這樣的操作太過頻繁，就會(huì)找成大量的內(nèi)存碎片進(jìn)而降低內(nèi)存的分配性能，甚至出現(xiàn)內(nèi)存分配失敗的情況。

而內(nèi)存池就是為了解決這個(gè)問題而產(chǎn)生的一種技術(shù)。從內(nèi)存分配的概念上看，內(nèi)存申請(qǐng)無非就是向內(nèi)存分配方索要一個(gè)指針，當(dāng)向操作系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)需要進(jìn)行復(fù)雜的內(nèi)存管理調(diào)度之后，才能正確的分配出一個(gè)相應(yīng)的指針。而這個(gè)分配的過程中，我們還面臨著分配失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

所以，每一次進(jìn)行內(nèi)存分配，就會(huì)消耗一次分配內(nèi)存的時(shí)間，設(shè)這個(gè)時(shí)間為 T，那么進(jìn)行 n 次分配總共消耗的時(shí)間就是 nT；如果我們一開始就確定好我們可能需要多少內(nèi)存，那么在最初的時(shí)候就分配好這樣的一塊內(nèi)存區(qū)域，當(dāng)我們需要內(nèi)存的時(shí)候，直接從這塊已經(jīng)分配好的內(nèi)存中使用即可，那么總共需要的分配時(shí)間僅僅只有 T。當(dāng) n 越大時(shí)，節(jié)約的時(shí)間就越多。

---引用來源互聯(lián)網(wǎng)

三、內(nèi)存池設(shè)計(jì)

內(nèi)存池設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中主要分為以下幾部分：

• 重載new
• 創(chuàng)建內(nèi)存節(jié)點(diǎn)
• 創(chuàng)建內(nèi)存池
• 管理內(nèi)存池

下面，比較詳細(xì)的來說說設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

重載new就不說了，直接從內(nèi)存節(jié)點(diǎn)開始；

內(nèi)存池節(jié)點(diǎn)

內(nèi)存池節(jié)點(diǎn)需要包含以下幾點(diǎn)元素：

1. 所屬池子（pMem），因?yàn)楹罄m(xù)在內(nèi)存池管理中可以直接調(diào)用申請(qǐng)內(nèi)存和釋放內(nèi)存

2. 下一個(gè)節(jié)點(diǎn)（pNext），這里主要是使用鏈表的思路，將所有的內(nèi)存塊關(guān)聯(lián)起來；

3. 節(jié)點(diǎn)是否被使用（bUsed），這里保證每次使用前，該節(jié)點(diǎn)是沒有被使用的；

4. 是否屬于內(nèi)存池（bBelong），主要是一般內(nèi)存池維護(hù)的空間都不是特別大，但是用戶申請(qǐng)了特別大的內(nèi)存時(shí)，就走正常的申請(qǐng)流程，釋放時(shí)也就正常釋放；

內(nèi)存池設(shè)計(jì)

內(nèi)存池設(shè)計(jì)就是上面的圖片類似，主要包含以下幾點(diǎn)元素：

1. 內(nèi)存首地址（_pBuffer），也就是第一塊內(nèi)存，這樣以后方面尋找后面的內(nèi)存塊；
2. 內(nèi)存塊頭（_pHeader），也就是上面說的內(nèi)存池節(jié)點(diǎn)；
3. 內(nèi)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(gè)節(jié)點(diǎn)多大；
4. 節(jié)點(diǎn)數(shù)（_nBlock），及時(shí)有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)；

這里面需要的注意的是，申請(qǐng)內(nèi)存塊的時(shí)候，需要加上節(jié)點(diǎn)頭，但是申請(qǐng)完后返回給客戶使用的需要去掉頭；但是釋放的時(shí)候，需要前移到頭，不然就會(huì)出現(xiàn)異常；

釋放內(nèi)存：

釋放內(nèi)存的時(shí)候，將使用過的內(nèi)存置為false，然后指向頭部，將頭部作為下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣的話，節(jié)點(diǎn)每次回收就可以相應(yīng)的被找到；

內(nèi)存池管理

內(nèi)存池創(chuàng)建后，會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)大小和個(gè)數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的內(nèi)存池；

內(nèi)存池管理主要就是根據(jù)不同的需求創(chuàng)建不同的內(nèi)存池，以達(dá)到管理的目的；

這里主要有一個(gè)概念：數(shù)組映射

數(shù)組映射就是不同的范圍內(nèi)，選擇不同的內(nèi)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(jìn)行綁定；

四、內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)

ManagerPool.hpp

#ifndef?_MEMORYPOOL_HPP_
#define?_MEMORYPOOL_HPP_

#include?
#include?

////一個(gè)內(nèi)存塊的最大內(nèi)存大小,可以擴(kuò)展
#define?MAX_MEMORY_SIZE?256

class?MemoryPool;

//內(nèi)存塊
struct?MemoryBlock
{
?MemoryBlock*?pNext;//下一塊內(nèi)存塊
?bool?bUsed;//是否使用
?bool?bBelong;//是否屬于內(nèi)存池
?MemoryPool*?pMem;//屬于哪個(gè)池子
};

class?MemoryPool
{
public:
?MemoryPool(size_t?nSize=128,size_t?nBlock=10)
?{
??//相當(dāng)于申請(qǐng)10塊內(nèi)存，每塊內(nèi)存是1024
??_nSize?=?nSize;
??_nBlock?=?nBlock;
??_pHeader?=?NULL;
??_pBuffer?=?NULL;
?}
?virtual?~MemoryPool()
?{
??if?(_pBuffer?!=?NULL)
??{
???free(_pBuffer);
??}
?}
?//申請(qǐng)內(nèi)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(qǐng)空間
??if?(_pBuffer?==?NULL)
??{
???InitMemory();
??}
??MemoryBlock*?pRes?=?NULL;
??//如果內(nèi)存池不夠用時(shí)，需要重新申請(qǐng)內(nèi)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(nèi)存
?void?FreeMemory(void*?p)
?{
??std::lock_guard<std::mutex>?lock(_mutex);
??//和申請(qǐng)內(nèi)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(nèi)存池直接釋放就可以
???free(pBlock);
??}
?}
?//初始化內(nèi)存塊
?void?InitMemory()
?{
??if?(_pBuffer)
???return;
??//計(jì)算每塊的大小
??size_t?PoolSize?=?_nSize? ?sizeof(MemoryBlock);
??//計(jì)算需要申請(qǐng)多少內(nèi)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(nèi)存首地址（第一塊內(nèi)存的地址）
?char*?_pBuffer;
?//內(nèi)存塊頭
?MemoryBlock*?_pHeader;
?//內(nèi)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(duì)內(nèi)存池就行管理
class?ManagerPool
{
public:
?static?ManagerPool