内存池的原理及实现

分手后的思念是犯贱 2022-05-12 23:10 218阅读 0赞

在软件开发中，有些对象使用非常频繁，那么我们可以预先在堆中实例化一些对象，我们把维护这些对象的结构叫“内存池”。在需要用的时候，直接从内存池中拿，而不用从新实例化，在要销毁的时候，不是直接free/delete，而是返还给内存池。

把那些常用的对象存在内存池中，就不用频繁的分配/回收内存，可以相对减少内存碎片，更重要的是实例化这样的对象更快，回收也更快。当内存池中的对象不够用的时候就扩容。

我的内存池实现如下：

![复制代码][copycode.gif]

#pragma once
    #include <assert.h>
    
    template<typename T>
    struct ProxyT
    { 
        ProxyT():next(NULL){} 
        T data;
        ProxyT* next;
    };
    
    template<typename T>
    class MemoryPool
    {
    public:
        static void* New()
        {
            if(next==NULL)
            {
                Alloc();
            }
            assert(next!=NULL);
            ProxyT<T>* cur=next;
            next=next->next;
            return cur;
        }
    
        static void Delete(void* ptr)
        {
            ProxyT<T>* cur=static_cast<ProxyT<T>*>(ptr);
            cur->next=next;
            next=cur; 
        }
    
    #ifdef CanFree
        static void Clear()
        {
            ProxyT<T>* proxy=NULL;
            while(next!=NULL)
            {
                proxy=next->next;
                delete next;
                next=proxy->next;
            }
            next=NULL;
        }
    #endif
        
    private: 
        static void Alloc(size_t size=16)
        {
            if(next==NULL)
            {
            #ifdef CanFree
                ProxyT<T>* tmpProxy=new ProxyT<T>();
                next=tmpProxy;
                for(int i=1;i<size;i++)
                { 
                    tmpProxy->next=new ProxyT<T>();
                    tmpProxy=tmpProxy->next;
                } 
            #else
                ProxyT<T>* memory=(ProxyT<T>*)malloc(size*sizeof(ProxyT<T>));
                ProxyT<T>* tmpProxy=new (memory) ProxyT<T>();
                next=tmpProxy;
                for (size_t i=1;i<size;i++)
                {
                    tmpProxy->next=new (memory+i) ProxyT<T>();
                    tmpProxy=tmpProxy->next;
                }
            #endif
    
            }
        }
     
        static ProxyT<T>* next; 
        MemoryPool<T>();
        MemoryPool<T>(const MemoryPool<T>&);
    };
    
    template<typename T> ProxyT<T>* MemoryPool<T>::next=NULL; 
    
    #define NewAndDelete(className)             \
    static void* operator new(size_t size)      \
    {                                           \
        return MemoryPool<className>::New();    \
    }                                           \
    static void operator delete(void* ptr)      \
    {                                           \
        MemoryPool<className>::Delete(ptr);     \
    }

![复制代码][copycode.gif]

测试代码如下：

![复制代码][copycode.gif]

#include "stdafx.h" 
    #define CanFree
    #include "MemoryPool.h"
     
    struct A
    { 
        int i; 
        NewAndDelete(A) 
    };
      
    int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
    {   
         
        { 
            vector<A*> vect;
            for(int i=0;i<16;i++)
            {
                A* a=new A();
                a->i=i;
                vect.push_back(a);
            }
            for(int i=0;i<vect.size();i++)
            {
                cout<<vect[i]->i<<endl;
            }
            for(int i=vect.size()-1;i>=0;i--)
            {
                delete vect[i];
            }
            vect.clear();
            
            MemoryPool<A>::Clear();
        }
       
        system("pause");
        return 0; 
    }

![复制代码][copycode.gif]

运行结果如下图：

![28083529-f817ff35ba6941a381ec6ab8d38730ee.png][]

不到100行代码，有两个public方法New和Delete；还有一个Clear方法，这个方法的存在取决于是否定义了宏CanFree，如果定义了这个宏，那么对象是一个个的实例化，在调用Clear的时候可以一个个的回收，如果没有定义，那么是一次分配一块较大的内存，然后在这块内存上实例化多个对象，但没有实现回收这块内存的方法，如果要回收这样的大块内存块，就必须将这些内存块的首地址存起来，我这里没有存起来，而且还要标记对象是否使用，那么Proxy<T>还要加一个字段表示是否使用，在回收的时候还要判断所有对象是否没有使用，只有都没使用才能回收，妹的，为了回收弄得这么麻烦，话说你为什么要回收内存池呢，于是就没有实现回收的方法。**整个内存池其实就是一个单链表，表头指向第一个没有使用节点，我们可以把这个单链表想象成一段链条，调用方法****New****就是从链条的一端（单链表表头）取走一节点，调用方法Delete****就是在链条的一端（单链表表头）前面插入一个节点，新插入的节点就是链表的表头，这样New****和Delete****的时间复杂度都是O(1)****，那叫一个快。**

所有要使用内存池的对象，只需要在这个对象中引入宏NewAndDelete，这个宏其实就是重写对象的new和delete方法，让对象的创建和回收都通过内存池来实现，所有用内存池实现的对象使用起来和别的对象基本上是一样，唯一的一个问题就是内存池对象对象不是线程安全的，在多线程编程中，创建一个对象时必须枷锁。如果在New和Delete的实现中都加个锁，我又觉得他太影响性能，毕竟很多时候是不需要枷锁，有些对象可能有不用于多线程，对于这个问题，求高手指点！

[copycode.gif]: /images/20220513/1e4fc292fc8a4a248d55bd82aad3fd9b.png
[28083529-f817ff35ba6941a381ec6ab8d38730ee.png]: /images/20220513/a09ca6feb47745f1aea10a324b1fca4d.png