C++ 实现高性能内存池

Dear 丶 2022-04-06 07:22 341阅读 0赞

# 基础知识 #

## 一、概述 ##

项目介绍

在 C/C++ 中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配? 分配失败了怎么办? 如何管理自身的内存使用情况? 等等一系列问题。在一个高可用的软件中，如果我们仅仅单纯的向操作系统去申请内存，当出现内存不足时就退出软件，是明显不合理的。正确的思路应该是在内存不足的时，考虑如何管理并优化自身已经使用的内存，这样才能使得软件变得更加可用。本次项目我们将实现一个内存池，并使用一个栈结构来测试我们的内存池提供的分配性能。最终，我们要实现的内存池在栈结构中的性能，要远高于使用 `std::allocator` 和 `std::vector`，如下图所示：

![1-1-1][]

项目涉及的知识点

*  C++ 中的内存分配器 `std::allocator`
 *  内存池技术
 *  手动实现模板链式栈
 *  链式栈和列表栈的性能比较

## 二、内存池简介 ##

内存池是池化技术中的一种形式。通常我们在编写程序的时候回使用 `new` `delete` 这些关键字来向操作系统申请内存，而这样造成的后果就是每次申请内存和释放内存的时候，都需要和操作系统的系统调用打交道，从堆中分配所需的内存。如果这样的操作太过频繁，就会找成大量的内存碎片进而降低内存的分配性能，甚至出现内存分配失败的情况。

而内存池就是为了解决这个问题而产生的一种技术。从内存分配的概念上看，内存申请无非就是向内存分配方索要一个指针，当向操作系统申请内存时，操作系统需要进行复杂的内存管理调度之后，才能正确的分配出一个相应的指针。而这个分配的过程中，我们还面临着分配失败的风险。

所以，每一次进行内存分配，就会消耗一次分配内存的时间，设这个时间为 T，那么进行 n 次分配总共消耗的时间就是 nT；如果我们一开始就确定好我们可能需要多少内存，那么在最初的时候就分配好这样的一块内存区域，当我们需要内存的时候，直接从这块已经分配好的内存中使用即可，那么总共需要的分配时间仅仅只有 T。当 n 越大时，节约的时间就越多。

## 三、主函数设计 ##

我们要设计实现一个高性能的内存池，那么自然避免不了需要对比已有的内存，而比较内存池对内存的分配性能，就需要实现一个需要对内存进行动态分配的结构（比如：链表栈），为此，在 `/home/shiyanlou/` 目录下新建 `main.cpp` 文件，并向其中添加如下的代码：

#include <iostream>   // std::cout, std::endl
    #include <cassert>    // assert()
    #include <ctime>      // clock()
    #include <vector>     // std::vector
    
    #include "MemoryPool.hpp"  // MemoryPool<T>
    #include "StackAlloc.hpp"  // StackAlloc<T, Alloc>
    
    // 插入元素个数
    #define ELEMS 10000000
    // 重复次数
    #define REPS 100
    
    int main()
    {
        clock_t start;
    
        // 使用 STL 默认分配器
        StackAlloc<int, std::allocator<int> > stackDefault;
        start = clock();
        for (int j = 0; j < REPS; j++) {
            assert(stackDefault.empty());
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackDefault.push(i);
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackDefault.pop();
        }
        std::cout << "Default Allocator Time: ";
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";
    
        // 使用内存池
        StackAlloc<int, MemoryPool<int> > stackPool;
        start = clock();
        for (int j = 0; j < REPS; j++) {
            assert(stackPool.empty());
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackPool.push(i);
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackPool.pop();
        }
        std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";
    
        return 0;
    }

在上面的两段代码中，`StackAlloc` 是一个链表栈，接受两个模板参数，第一个参数是栈中的元素类型，第二个参数就是栈使用的内存分配器。

因此，这个内存分配器的模板参数就是整个比较过程中唯一的变量，使用默认分配器的模板参数为 `std::allocator<int>`，而使用内存池的模板参数为 `MemoryPool<int>`。

> std::allocator 是 C++标准库中提供的默认分配器，他的特点就在于我们在 使用 new 来申请内存构造新对象的时候，势必要调用类对象的默认构造函数，而使用 std::allocator 则可以将内存分配和对象的构造这两部分逻辑给分离开来，使得分配的内存是原始、未构造的。

下面我们来实现这个链表栈。

## 四、模板链表栈 ##

栈的结构非常的简单，没有什么复杂的逻辑操作，其成员函数只需要考虑两个基本的操作：入栈、出栈。为了操作上的方便，我们可能还需要这样一些方法：判断栈是否空、清空栈、获得栈顶元素。在 `/home/shiyanlou/` 目录下新建 `StackAlloc.hpp` 文件，并向其中添加如下代码：

#include <memory>
    
    template <typename T>
    struct StackNode_
    {
      T data;
      StackNode_* prev;
    };
    
    // T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器, 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器
    template <typename T, typename Alloc = std::allocator<T> >
    class StackAlloc
    {
      public:
        // 使用 typedef 简化类型名
        typedef StackNode_<T> Node;
        typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;
    
        // 默认构造
        StackAlloc() { head_ = 0; }
        // 默认析构
        ~StackAlloc() { clear(); }
    
        // 当栈中元素为空时返回 true
        bool empty() {return (head_ == 0);}
    
        // 释放栈中元素的所有内存
        void clear();
    
        // 压栈
        void push(T element);
    
        // 出栈
        T pop();
    
        // 返回栈顶元素
        T top() { return (head_->data); }
    
      private:
        // 
        allocator allocator_;
        // 栈顶
        Node* head_;
    };

> **提示**
> 
> 此处的 `typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator` 写法可能比较少见，对此写法的说明，在问答区有相关讨论：
> 
> [https://www.shiyanlou.com/questions/5389][https_www.shiyanlou.com_questions_5389]

简单的逻辑诸如构造、析构、判断栈是否空、返回栈顶元素的逻辑都非常简单，直接在上面的定义中实现了，下面我们来实现 `clear()`, `push()`和 `pop()` 这三个重要的逻辑：

// 释放栈中元素的所有内存
    void clear() {
      Node* curr = head_;
      // 依次出栈
      while (curr != 0)
      {
        Node* tmp = curr->prev;
        // 先析构, 再回收内存
        allocator_.destroy(curr);
        allocator_.deallocate(curr, 1);
        curr = tmp;
      }
      head_ = 0;
    }
    // 入栈
    void push(T element) {
      // 为一个节点分配内存
      Node* newNode = allocator_.allocate(1);
      // 调用节点的构造函数
      allocator_.construct(newNode, Node());
    
      // 入栈操作
      newNode->data = element;
      newNode->prev = head_;
      head_ = newNode;
    }
    
    // 出栈
    T pop() {
      // 出栈操作 返回出栈元素
      T result = head_->data;
      Node* tmp = head_->prev;
      allocator_.destroy(head_);
      allocator_.deallocate(head_, 1);
      head_ = tmp;
      return result;
    }

至此，我们完成了整个模板链表栈，现在我们可以先注释掉 `main()` 函数中使用内存池部分的代码来测试这个连表栈的内存分配情况，我们就能够得到这样的结果：

![1-4-1][]

在使用 `std::allocator` 的默认内存分配器中，在

#define ELEMS 10000000
    #define REPS 100

的条件下，总共花费了近一分钟的时间。

> 如果觉得花费的时间较长，不愿等待，则你尝试可以减小这两个值

## 五、总结 ##

本节我们实现了一个用于测试性能比较的模板链表栈，目前的代码如下。在下一节中，我们开始详细实现我们的高性能内存池。

// StackAlloc.hpp
    
    #ifndef STACK_ALLOC_H
    #define STACK_ALLOC_H
    
    #include <memory>
    
    template <typename T>
    struct StackNode_
    {
      T data;
      StackNode_* prev;
    };
    
    // T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器,
    // 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器
    template <class T, class Alloc = std::allocator<T> >
    class StackAlloc
    {
      public:
        // 使用 typedef 简化类型名
        typedef StackNode_<T> Node;
        typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;
    
        // 默认构造
        StackAlloc() { head_ = 0; }
        // 默认析构
        ~StackAlloc() { clear(); }
    
        // 当栈中元素为空时返回 true
        bool empty() {return (head_ == 0);}
    
        // 释放栈中元素的所有内存
        void clear() {
          Node* curr = head_;
          while (curr != 0)
          {
            Node* tmp = curr->prev;
            allocator_.destroy(curr);
            allocator_.deallocate(curr, 1);
            curr = tmp;
          }
          head_ = 0;
        }
    
        // 入栈
        void push(T element) {
          // 为一个节点分配内存
          Node* newNode = allocator_.allocate(1);
          // 调用节点的构造函数
          allocator_.construct(newNode, Node());
    
          // 入栈操作
          newNode->data = element;
          newNode->prev = head_;
          head_ = newNode;
        }
    
        // 出栈
        T pop() {
          // 出栈操作 返回出栈结果
          T result = head_->data;
          Node* tmp = head_->prev;
          allocator_.destroy(head_);
          allocator_.deallocate(head_, 1);
          head_ = tmp;
          return result;
        }
    
        // 返回栈顶元素
        T top() { return (head_->data); }
    
      private:
        allocator allocator_;
        Node* head_;
    };
    
    #endif // STACK_ALLOC_H

// main.cpp
    
    #include <iostream>
    #include <cassert>
    #include <ctime>
    #include <vector>
    
    // #include "MemoryPool.hpp"
    #include "StackAlloc.hpp"
    
    // 根据电脑性能调整这些值
    // 插入元素个数
    #define ELEMS 25000000
    // 重复次数
    #define REPS 50
    
    int main()
    {
        clock_t start;
    
        // 使用默认分配器
        StackAlloc<int, std::allocator<int> > stackDefault;
        start = clock();
        for (int j = 0; j < REPS; j++) {
            assert(stackDefault.empty());
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackDefault.push(i);
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackDefault.pop();
        }
        std::cout << "Default Allocator Time: ";
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";
    
        // 使用内存池
        // StackAlloc<int, MemoryPool<int> > stackPool;
        // start = clock();
        // for (int j = 0; j < REPS; j++) {
        //     assert(stackPool.empty());
        //     for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
        //       stackPool.push(i);
        //     for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
        //       stackPool.pop();
        // }
        // std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";
        // std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";
    
        return 0;
    }

## 六、参考资料 ##

1.  [内存池-维基百科][-]
2.  [C++ 标准库参考][C_]

项目来源：[https://github.com/cacay/MemoryPool][https_github.com_cacay_MemoryPool]

# 实现高性能内存池 #

## 一、概述 ##

项目介绍

![2-1-1][]

项目涉及的知识点

*  C++11 特性
 *  C++ 中的内存分配器 `std::allocator`
 *  内存池技术
 *  手动实现模板链式栈
 *  链式栈和列表栈的性能比较

## 二、内存池简介 ##

## 三、设计内存池 ##

在上一节实验中，我们在模板链表栈中使用了默认构造器来管理栈操作中的元素内存，一共涉及到了 `rebind<T>::other`, `allocate()`, `dealocate()`, `construct()`, `destroy()`这些关键性的接口。所以为了让代码直接可用，我们同样应该在内存池中设计同样的接口：

在上面的类设计中可以看到，在这个内存池中，其实是使用链表来管理整个内存池的内存区块的。内存池首先会定义固定大小的基本内存区块(Block)，然后在其中定义了一个可以实例化为存放对象内存槽的对象槽（Slot\_）和对象槽指针的一个联合。然后在区块中，定义了四个关键性质的指针，它们的作用分别是：

1.  `currentBlock_`: 指向当前内存区块的指针
2.  `currentSlot_`: 指向当前内存区块中的对象槽
3.  `lastSlot_`: 指向当前内存区块中的最后一个对象槽
4.  `freeSlots_`: 指向当前内存区块中所有空闲的对象槽

梳理好整个内存池的设计结构之后，我们就可以开始实现关键性的逻辑了。

## 四、实现 ##

下面分别介绍 MemoryPool 的几种不同功能的函数方法。

### 4.1 MemoryPool::construct() 实现 ###

`MemoryPool::construct()` 的逻辑是最简单的，我们需要实现的，仅仅只是调用新建对象的构造函数即可，因此：

// 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板
    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args) {
        new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
    }

### 4.2 MemoryPool::deallocate() 实现 ###

`MemoryPool::deallocate()` 是在对象槽中的对象被析构后才会被调用的，主要目的是销毁内存槽。其逻辑也不复杂：

// 销毁指针 p 指向的内存区块
    void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
      if (p != nullptr) {
        // reinterpret_cast 是强制类型转换符
        // 要访问 next 必须强制将 p 转成 slot_pointer_
        reinterpret_cast<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
        freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);
      }
    }

### 4.3 MemoryPool::~MemoryPool() 实现 ###

析构函数负责销毁整个内存池，因此我们需要逐个删除掉最初向操作系统申请的内存块：

// 销毁一个现有的内存池
    ~MemoryPool() noexcept {
      // 循环销毁内存池中分配的内存区块
      slot_pointer_ curr = currentBlock_;
      while (curr != nullptr) {
        slot_pointer_ prev = curr->next;
        operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
        curr = prev;
      }
    }

### 4.4 MemoryPool::allocate() 实现 ###

`MemoryPool::allocate()` 毫无疑问是整个内存池的关键所在，但实际上理清了整个内存池的设计之后，其实现并不复杂。具体实现如下：

// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
    pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
      // 如果有空闲的对象槽，那么直接将空闲区域交付出去
      if (freeSlots_ != nullptr) {
        pointer result = reinterpret_cast<pointer>(freeSlots_);
        freeSlots_ = freeSlots_->next;
        return result;
      } else {
        // 如果对象槽不够用了，则分配一个新的内存区块
        if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
          // 分配一个新的内存区块，并指向前一个内存区块
          data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast<data_pointer_>(operator new(BlockSize));
          reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;
          currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock);
          // 填补整个区块来满足元素内存区域的对齐要求
          data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
          uintptr_t result = reinterpret_cast<uintptr_t>(body);
          size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
          currentSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(body + bodyPadding);
          lastSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_));
        }
        return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);
      }
    }

> **提示**

> 这部分的实现比较巧妙，更多详细说明参见问答区对这段代码的讨论：

> [https://www.shiyanlou.com/questions/5475][https_www.shiyanlou.com_questions_5475]

> 并在此感谢 `wz6667` 同学指出代码中的错误。

## 五、与 std::vector 的性能对比 ##

我们知道，对于栈来说，链栈其实并不是最好的实现方式，因为这种结构的栈不可避免的会涉及到指针相关的操作，同时，还会消耗一定量的空间来存放节点之间的指针。事实上，我们可以使用 `std::vector` 中的 `push_back()` 和 `pop_back()` 这两个操作来模拟一个栈，我们不妨来对比一下这个 `std::vector` 与我们所实现的内存池在性能上谁高谁低，我们在 主函数中加入如下代码：

// 比较内存池和 std::vector 之间的性能
        std::vector<int> stackVector;
        start = clock();
        for (int j = 0; j < REPS; j++) {
            assert(stackVector.empty());
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackVector.push_back(i);
            for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
              stackVector.pop_back();
        }
        std::cout << "Vector Time: ";
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";

这时候，我们重新编译代码，就能够看出这里面的差距了：

![2-5-1][]

首先是使用默认分配器的链表栈速度最慢，其次是使用 std::vector 模拟的栈结构，在链表栈的基础上大幅度削减了时间。

> `std::vector` 的实现方式其实和内存池较为类似，在 std::vector 空间不够用时，会抛弃现在的内存区域重新申请一块更大的区域，并将现在内存区域中的数据整体拷贝一份到新区域中。

最后，对于我们实现的内存池，消耗的时间最少，即内存分配性能最佳，完成了本项目。

## 六、总结 ##

本节中，我们实现了我们上节实验中未实现的内存池，完成了整个项目的目标。 这个内存池不仅精简而且高效，整个内存池的完整代码如下：

#ifndef MEMORY_POOL_HPP
    #define MEMORY_POOL_HPP
    
    #include <climits>
    #include <cstddef>
    
    template <typename T, size_t BlockSize = 4096>
    class MemoryPool
    {
      public:
        // 使用 typedef 简化类型书写
        typedef T*              pointer;
    
        // 定义 rebind<U>::other 接口
        template <typename U> struct rebind {
          typedef MemoryPool<U> other;
        };
    
        // 默认构造
        // C++11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常
        MemoryPool() noexcept {
          currentBlock_ = nullptr;
          currentSlot_ = nullptr;
          lastSlot_ = nullptr;
          freeSlots_ = nullptr;
        }
    
        // 销毁一个现有的内存池
        ~MemoryPool() noexcept {
          // 循环销毁内存池中分配的内存区块
          slot_pointer_ curr = currentBlock_;
          while (curr != nullptr) {
            slot_pointer_ prev = curr->next;
            operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
            curr = prev;
          }
        }
    
        // 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
        pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
          if (freeSlots_ != nullptr) {
            pointer result = reinterpret_cast<pointer>(freeSlots_);
            freeSlots_ = freeSlots_->next;
            return result;
          }
          else {
            if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
              // 分配一个内存区块
              data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast<data_pointer_>(operator new(BlockSize));
              reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;
              currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock);
              data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
              uintptr_t result = reinterpret_cast<uintptr_t>(body);
              size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
              currentSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(body + bodyPadding);
              lastSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_));
            }
            return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);
          }
        }
    
        // 销毁指针 p 指向的内存区块
        void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
          if (p != nullptr) {
            reinterpret_cast<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
            freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);
          }
        }
    
        // 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板
        template <typename U, typename... Args>
        void construct(U* p, Args&&... args) {
          new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
        }
    
        // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
        template <typename U>
        void destroy(U* p) {
          p->~U();
        }
    
      private:
        // 用于存储内存池中的对象槽
        union Slot_ {
          T element;
          Slot_* next;
        };
    
        // 数据指针
        typedef char* data_pointer_;
        // 对象槽
        typedef Slot_ slot_type_;
        // 对象槽指针
        typedef Slot_* slot_pointer_;
    
        // 指向当前内存区块
        slot_pointer_ currentBlock_;
        // 指向当前内存区块的一个对象槽
        slot_pointer_ currentSlot_;
        // 指向当前内存区块的最后一个对象槽
        slot_pointer_ lastSlot_;
        // 指向当前内存区块中的空闲对象槽
        slot_pointer_ freeSlots_;
        // 检查定义的内存池大小是否过小
        static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
    };
    
    #endif // MEMORY_POOL_HPP

## 七、参考资料 ##

1.  [内存池-维基百科][-]
2.  [C++ 标准库参考][C_]

项目来源：[https://github.com/cacay/MemoryPool][https_github.com_cacay_MemoryPool]

[1-1-1]: /images/20220406/f6e0ec6180224eb9a888ea5700c3ddcf.png
[https_www.shiyanlou.com_questions_5389]: https://www.shiyanlou.com/questions/5389
[1-4-1]: /images/20220406/468a3eada5874751b820254ce0aa1718.png
[-]: https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_pool
[C_]: http://en.cppreference.com/w/Main_Page
[https_github.com_cacay_MemoryPool]: https://github.com/cacay/MemoryPool
[2-1-1]: /images/20220406/02e7417ef94d4af097a4931a8c3e860b.png
[https_www.shiyanlou.com_questions_5475]: https://www.shiyanlou.com/questions/5475
[2-5-1]: /images/20220406/151d01436094416f80bd3a1f3e7db9f9.png