C++给类实现内存池的功能

我会带着你远行 2022-05-31 00:58 138阅读 0赞

# 1、为什么需要重写operator new 和operator delete #

> 默认的`operator new` 具有很好的通用性，可以分配任意大小的内存块。`operator delete`也可以释放任意大小的内存块。为了让`operator delete`弄清楚需要释放多大内存，通常会在`operator new`分配的内存块里附带一些额外信息，用来指明被分配内存块的大小，所以分配内存的大小实际比存储对象所需内存大一点。**就因为这种通用性及灵活性，导致在那些需要动态分配大量小的对象的应用程序中可以改善性能，因此在这种情况下为了效率有必要重写**。

# 2、内存池 #

概念及实现：

> 内存池就是在真正使用内存之前，先申请分配一定数量的、大小相等(一般情况下)的内存块留作备用。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够再继续申请新的内存。这样做的一个显著优点是，使得内存分配效率得到提升，特别对于小内存分配的时候可以起到减少内存碎片的作用。  
> 实现思路：先让缺省`operator new` 分配一些大块的原始内存，每块的大小都足以容纳很多个小内存对象。 小内存对象的内存块就取自这些大的内存块。当前没被使用的内存块被组织成链表（自由链表）以备未来小内存对象使用。当动态分配小对象时候，将某个小块内存从自由链表中移除客户并得到此块内存首地址；当客户删除对象时，小块内存放回自由链表。  
> 区别与内存泄漏：  
> 内存泄漏对应于内存分配后指向内存的指针丢失了，客户再也不能使用这块内存了。此处分配内存全部串联在链表之中，客户需要使用时候全部可以使用，只是暂时没有释放而已，以备后续对象动态分配，所以这个称之为内存的池。

# 简单实现 #

#ifndef MEMORYPOOL_H
    #define MEMORYPOOL_H
    
    #include<new>
    #include<iostream>
    
    class MemoryPool
    {
    public:
        MemoryPool(size_t n);//构造函数，构造自由链表
        void *alloc(size_t n);//分配函数，从自由链表调出一个小块
        void free(void *__ptr , size_t n);//释放函数，内存块加入自由链表
        ~MemoryPool();//析构函数
        int GetChunks(){
            return AvailableChunks;
        }
    
    private:
        static const int BLOCK_SIZE;//声明常量，初始化节点个数
        union obj{
       //联合体内部成员不可能同时使用
            union obj *next;//自由链表使用
            char client_data[1];//用户使用
        };
        union obj *headOfFreeList;
        int  AvailableChunks = 0;//返回自由链表中可用节点的个数
    };
    
    #endif // MEMORYPOOL_H

#include "memorypool.h"
    
    const int MemoryPool::BLOCK_SIZE = 5;//定义常量
    
    MemoryPool::MemoryPool(size_t n)//直接构造自由链表
    {
        //自由链表为空，分配可以容纳BLOCK_SIZE个的n块
        union obj *current_obj , *next_obj;
        char *chunk =  (char *)malloc(BLOCK_SIZE * n);//分配 BLOCK_SIZE*n 大内存
        headOfFreeList = current_obj = next_obj =  (union obj *)chunk;//首地址
        for(int i = 0 ; i < BLOCK_SIZE - 1 ;i++){
       //将内存块组成自由链表
            next_obj = (union obj *)((char *)next_obj + n);//找出下一个节点地址
            current_obj->next = next_obj;//存储下一个节点地址
            current_obj = next_obj;//更新当前节点，为下次做准备
        }
        AvailableChunks = BLOCK_SIZE;
        current_obj->next = 0;//尾部节点置为空。
    }
    
    void *MemoryPool::alloc(size_t n){
       //分从自由链表分配一个节点
        union obj *result = headOfFreeList;
        union obj *current_obj , *next_obj;
        if(result){
       //如果为空，那么就是没有了
            headOfFreeList = headOfFreeList->next;
            AvailableChunks--;
        }
        else{
       //从堆中补充自由链表,注意第一个地址返回
            char *chunk =  (char *)malloc(BLOCK_SIZE * n);//分配 BLOCK_SIZE*n 大内存
            result = (union obj *)chunk;
            headOfFreeList = current_obj = next_obj =  (union obj *)(chunk+n);//首地址
            for(int i = 1 ; i < BLOCK_SIZE - 1 ;i++){
       //将内存块组成自由链表
                next_obj = (union obj *)((char *)next_obj + n);//找出下一个节点地址
                current_obj->next = next_obj;//存储下一个节点地址
                current_obj = next_obj;//更新当前节点，为下次做准备
            }
            current_obj->next = 0;//尾部节点置为空。
            AvailableChunks = BLOCK_SIZE - 1;
        }
        return result;//返回
    
    }
    void MemoryPool::free(void *__ptr , size_t n){
       //释放一个节点，加入链表头即可
        union obj *p = (union obj *)__ptr;
        p->next = headOfFreeList;
        headOfFreeList = p;
        AvailableChunks++;
    }
    
    MemoryPool::~MemoryPool(){
    
    }

#include "memorypool.h"
    #include<iostream>
    using std::cout;
    using std::endl;
    class Airplane{
    public:
        Airplane():AirplaneRep(4){}
        static void *operator new(size_t size);
        static void operator delete(void *p  , size_t size);
        int val(){
            return AirplaneRep;
        }
        static int Chunks(){
            return memPool.GetChunks();
        }
    
    private:
        int AirplaneRep,i ,j, k;
        static MemoryPool memPool;//声明一个静态对象
    };
    void *Airplane::operator new(size_t size){
        //cout << "operator new" << endl;
        return memPool.alloc(size);
    }
    
    void Airplane::operator delete(void *p  , size_t size){
        memPool.free(p , size);
    }
    MemoryPool Airplane::memPool(sizeof(Airplane));//定义并通过构造初始化
    
    int main(void)
    {
        int i = 9;
        Airplane *ptr = new Airplane;//分配内存并调用默认构造
        cout << Airplane::Chunks() << endl;//返回可用chunks（内存块）
        Airplane *ptr1 = new Airplane;//分配内存并调用默认构造
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
        Airplane *ptr2 = new Airplane;//分配内存并调用默认构造
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
        Airplane *ptr3 = new Airplane;//分配内存并调用默认构造
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
        Airplane *ptr4 = new Airplane;//分配内存并调用默认构造
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
    
        Airplane *ptr5 = new Airplane;
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
    
        delete ptr5;
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
    
        delete ptr4;
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
    
        delete ptr3;
        cout << Airplane::Chunks() << endl;
        return 0;
    }

![这里写图片描述][SouthEast]  
初始化默认小块的个数为5，程序运行首先调用静态成员memPool的构造函数`Airplane::memPool(sizeof(Airplane));`初始化自由链表。上图是某次允许时自由链表的构造情况，此处内存池首地址`headOfFreeList = 0x018b6c20`且`sizeof(Airplane) = 16`,所以内存池的首地址为0x018b6c20，尾地址为0x018b6c6f。**并且本主机是64位小端机器，每一个地址变量占用8字节，union obj对象占用8字节。经过自由链表之后，可以清楚的看到第一块上面存放的是第二块的地址，第二块存放第三块的地址，第三块存放第四块的地址，第四块存放第五块的地址，第五块为链表末尾置为0**。  
**注意：阅读STL源代码内存分配的时候，自由链表节点大小分别进行了8字节对齐。因为union obj对象占用8字节，所以一个块至少需要8字节，才可以存放一个union obj \*指针用来指向下一个块。**所以此处`sizeof(Airplane)`至少等于8，所以在Airplane类中多声明了几个int变量，否则会出现malloc报错，因为分配的内存不足以存放union obj指针变量。

![这里写图片描述][SouthEast 1]  
调用一次`new Airplane`，Chunks数量减少一个；`delete Airplane`Chunks数量增加一。特别注意此处默认的BLOCK\_SIZE为5比较小，所以Chunks为0继续`new Airplane`会重新生成内存池，然后释放先前分配的Airplane对象，此时Chunks的值可能大于默认的BLOCK\_SIZE为5，例如上面出现了7。为了避免这种情况发生可以让BLOCK\_SIZE稍微大一点，使得Chunks为0的概率小点。  
**STL源代码利用了自由链表池，产生了16个自由链表，分别对应8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128字节小内存块。思路和上面的实现完全一样，后期会剖析STL源代码里面的内存分配功能。**

[SouthEast]: /images/20220531/2838cf97bf9a43869cdb8762a32c193e.png
[SouthEast 1]: /images/20220531/17968bf762ea4e26a1520b87e44c55be.png