C++手寫內(nèi)存池的案例詳解

更新時間：2021年08月07日 12:58:03 作者：HickeyZhang

這篇文章主要介紹了C++手寫內(nèi)存池的案例詳解，本文通過實例代碼給大家介紹的非常詳細，對大家的學習或工作具有一定的參考借鑒價值,需要的朋友可以參考下

引言

使用new expression為類的多個實例分配動態(tài)內(nèi)存時，cookie導致內(nèi)存利用率可能不高，此時我們通過實現(xiàn)類的內(nèi)存池來降低overhead。從不成熟到巧妙優(yōu)化的內(nèi)存池，得益于union的分時復用特性，內(nèi)存利用率得到了提高。

原因

在實例化某個類的對象時（在heap而不是stack中），若不使用array new，則每次實例化時都要調(diào)用一次內(nèi)存分配函數(shù)，類的每個實例在內(nèi)存中都有上下兩個cookie，從而降低了內(nèi)存的利用率。然而，array new也有先天的缺陷，即只能調(diào)用默認無參構造函數(shù)，這對于很多沒有提供無參構造函數(shù)的類來說是不合適的。

因此，我們可以對于一個沒有實例化的類第一次實例化時，先分配一大塊內(nèi)存（內(nèi)存池），這一大塊內(nèi)存記錄在類中，只有上下兩個cookie，能夠容納多個實例。后續(xù)實例化時，若內(nèi)存池中還有剩余內(nèi)存，則不必申請內(nèi)存分配，只在內(nèi)存池中分配。內(nèi)存回收時，將實例所占用的內(nèi)存回收到內(nèi)存池中。若內(nèi)存池中無內(nèi)存，則再申請分配大塊內(nèi)存。

脫褲子放屁方案

我們以鏈表的形式組織內(nèi)存池，內(nèi)存池中每個一個鏈表是一個小桶，這個桶中裝我們實例化的對象。

內(nèi)存池鏈表的頭結點記錄在類中，即以class staic變量的形式存儲。組織形式如下：

實現(xiàn)代碼如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i):data(i){}
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    DemoClass *next;
    int data;
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//設定內(nèi)存池能容納24個DemoClass對象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader為空，內(nèi)存池中無空間，分配內(nèi)存
        size_t pool_mem_bytes = size * POOL_SIZE;//內(nèi)存池的字節(jié)大小 = 每個實例的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）* 內(nèi)存池中能容納的最大實例數(shù)
        freeMemHeader = reinterpret_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]分配pool_mem_bytes個字節(jié)，因為每個char占用1個字節(jié)
        cout << "Info:向操作系統(tǒng)申請了" << pool_mem_bytes << "字節(jié)的內(nèi)存。" << endl;
        for(int i = 0;i < POOL_SIZE - 1; ++i){//將內(nèi)存池中POOL_SIZE個小塊內(nèi)存,串起來。
            freeMemHeader[i].next = &freeMemHeader[i + 1];
        }
        freeMemHeader[POOL_SIZE - 1].next = nullptr;
    }
    p = freeMemHeader;//取內(nèi)存池（鏈表）的頭部，分配給要實例化的對象
    cout << "Info:從內(nèi)存池中取了" << size << "字節(jié)的內(nèi)存。" << endl;
    freeMemHeader = freeMemHeader -> next;//從內(nèi)存池中刪去取出的那一小塊地址，即更新內(nèi)存池
    p -> next = nullptr;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(void* p){
    DemoClass* tmp = (DemoClass*) p;
    tmp -> next = freeMemHeader;
    freeMemHeader = tmp;
}

測試代碼如下：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i);
        cout << "address of the ith demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

其結果如下：

可以看到每個DemoClass的實例大小為24字節(jié)，內(nèi)存池一次從操作系統(tǒng)中申請了576個字節(jié)的內(nèi)存，這些內(nèi)存可以容納24個實例。上面顯示出了每個實例的內(nèi)存地址，內(nèi)存池中相鄰實例的內(nèi)存首地址之差為24，即實例的大小，證明了一個內(nèi)存池的實例之間確實沒有cookie。

當內(nèi)存池中內(nèi)存用完后，又向操作系統(tǒng)申請了576個字節(jié)的內(nèi)存。

由此，只有每個內(nèi)存池兩側有cookie，而內(nèi)存池中的實例不存在cookie，相比于每次調(diào)用new expression實例化對象都有cookie，內(nèi)存池的組織形式確實在形式上提高了內(nèi)存利用率。

那么，有什么問題么？

sizeof(DemoClass)等于24：

int data數(shù)據(jù)域占4個字節(jié)
兩個構造函數(shù)一個析構函數(shù)各占4字節(jié)，共12字節(jié)
額外的指針DemoClass*，在64位機器上，占8個字節(jié)

這樣一個DemoClass的大小確實是24字節(jié)。wait，what?

我們?yōu)榱私鉀Qcookie帶來的內(nèi)存浪費，引入了指針next，但卻又引入了8個字節(jié)的overhead，脫褲子放屁，多此一舉？

這樣看來確實沒有達到要求，但至少為我們提供了一種思路，不是么？

分時復用改進方案

首先我們先回憶下c++ 中的Union:

在任意時刻，聯(lián)合中只能有一個數(shù)據(jù)成員可以有值。當給聯(lián)合中某個成員賦值之后，該聯(lián)合中的其它成員就變成未定義狀態(tài)了。

結合我們之前不成熟的內(nèi)存池，我們發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)存池中的桶還沒有被分配給實例時，只有next域有用，而當桶被分配給實例后，next域就沒什么用了；當桶被回收時，數(shù)據(jù)域變無用而next指針又需要用到。這不正是union的特性么？

看一下代碼實現(xiàn)：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i, double p){
        data.num = i;
        data.price = p;
    }
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    struct DemoData{
        int num;
        double price;
    };
private:
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
    union {
        DemoClass *next;
        DemoData data;
    };
    
};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//設定內(nèi)存池能容納24個DemoClass對象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader為空，內(nèi)存池中無空間，分配內(nèi)存
        size_t pool_mem_bytes = size * POOL_SIZE;//內(nèi)存池的字節(jié)大小 = 每個實例的大?。ㄗ止?jié)數(shù)）* 內(nèi)存池中能容納的最大實例數(shù)
        freeMemHeader = reinterpret_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]分配pool_mem_bytes個字節(jié)，因為每個char占用1個字節(jié)
        cout << "Info:向操作系統(tǒng)申請了" << pool_mem_bytes << "字節(jié)的內(nèi)存。" << endl;
        for(int i = 0;i < POOL_SIZE - 1; ++i){//將內(nèi)存池中POOL_SIZE個小塊內(nèi)存,串起來。
            freeMemHeader[i].next = &freeMemHeader[i + 1];
        }
        freeMemHeader[POOL_SIZE - 1].next = nullptr;
    }
    p = freeMemHeader;//取內(nèi)存池（鏈表）的頭部，分配給要實例化的對象
    cout << "Info:從內(nèi)存池中取了" << size << "字節(jié)的內(nèi)存。" << endl;
    freeMemHeader = freeMemHeader -> next;//從內(nèi)存池中刪去取出的那一小塊地址，即更新內(nèi)存池
    p -> next = nullptr;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(void* p){
    DemoClass* tmp = (DemoClass*) p;
    tmp -> next = freeMemHeader;
    freeMemHeader = tmp;
}

對比前一種實現(xiàn)代碼，只是構造函數(shù)、數(shù)據(jù)域和指針域的組織形式發(fā)生了變化：

由于數(shù)據(jù)域增加了price項，構造函數(shù)中也增加了對應的參數(shù)
數(shù)據(jù)域被集成定義成一個類自定義struct類型
數(shù)據(jù)域和指針域被組織為union

測試代碼依舊：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i, i * i);
        cout << "address of the " << i << "th demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

結果：

可以看到每個DemoClass的實例大小為24字節(jié)，一個內(nèi)存池的實例之間沒有cookie。

分析一下sizeof(DemoClass)等于24的緣由：

data數(shù)據(jù)域占12個字節(jié)（int 4字節(jié)、double 8字節(jié)）。
兩個構造函數(shù)一個析構函數(shù)各占4字節(jié)，共12字節(jié)。
指針DemoClass，在64位機器上，占8個字節(jié)，但由于和數(shù)據(jù)域使用了union，data數(shù)據(jù)域12個字節(jié)中的前8個字節(jié)在適當?shù)臅r機被看作DemoClass，而不占用額外空間，消除了overhead。

這樣一個DemoClass的大小確實是24字節(jié)。利用union的分時復用特性，我們消除了初步方案中指針帶來的脫褲子放屁效果。

另外的思考

細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，前面的那兩種方案都有共同的小缺陷，即當程序一直實例化而不析構時，內(nèi)存池會向操作系統(tǒng)申請多次大塊內(nèi)存，而當這些對象一起回收時，內(nèi)存池中的剩余桶數(shù)會遠大于設定的POOL_SIZE的大小，這個峰值多大取決于類實例化和回收的時機。

另外，內(nèi)存池中的內(nèi)存暫時不會回收給操作系統(tǒng)，峰值很大可能會對內(nèi)存分配帶來一些影響，不過這卻不屬于內(nèi)存泄漏。在以后的文章中，我們可能會討論一些性能更好的內(nèi)存分配方案。