一、概述

在 C/C++ 中，內(nèi)存管理是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，我們?cè)诰帉?xiě)一個(gè)程序的時(shí)候幾乎不可避免的要遇到內(nèi)存的分配邏輯，這時(shí)候隨之而來(lái)的有這樣一些問(wèn)題：是否有足夠的內(nèi)存可供分配?分配失敗了怎么辦? 如何管理自身的內(nèi)存使用情況? 等等一系列問(wèn)題。在一個(gè)高可用的軟件中，如果我們僅僅單純的向操作系統(tǒng)去申請(qǐng)內(nèi)存，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)存不足時(shí)就退出軟件，是明顯不合理的。正確的思路應(yīng)該是在內(nèi)存不足的時(shí)，考慮如何管理并優(yōu)化自身已經(jīng)使用的內(nèi)存，這樣才能使得軟件變得更加可用。本次項(xiàng)目我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)存池，并使用一個(gè)棧結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)試我們的內(nèi)存池提供的分配性能。最終，我們要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存池在棧結(jié)構(gòu)中的性能，要遠(yuǎn)高于使用 std::allocator 和 std::vector，如下圖所示：

項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)

C++ 中的內(nèi)存分配器 std::allocator

內(nèi)存池技術(shù)

手動(dòng)實(shí)現(xiàn)模板鏈?zhǔn)綏?/p>

鏈?zhǔn)綏：土斜項(xiàng)５男阅鼙容^

內(nèi)存池簡(jiǎn)介

內(nèi)存池是池化技術(shù)中的一種形式。通常我們?cè)诰帉?xiě)程序的時(shí)候回使用 new delete 這些關(guān)鍵字來(lái)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(guò)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(wèn)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(wú)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(guò)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(kāi)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。

二、主函數(shù)設(shè)計(jì)

我們要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的內(nèi)存池，那么自然避免不了需要對(duì)比已有的內(nèi)存，而比較內(nèi)存池對(duì)內(nèi)存的分配性能，就需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的結(jié)構(gòu)（比如：鏈表?xiàng)＃?，為此，可以?xiě)出如下的代碼：

#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>
// 插入元素個(gè)數(shù)
#define ELEMS 10000000
// 重復(fù)次數(shù)
#define REPS 100
int main()
{
    clock_t start;
    // 使用 STL 默認(rèn)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";
    // 使用內(nèi)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;
}

在上面的兩段代碼中，StackAlloc 是一個(gè)鏈表?xiàng)?，接受兩個(gè)模板參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是棧中的元素類(lèi)型，第二個(gè)參數(shù)就是棧使用的內(nèi)存分配器。

因此，這個(gè)內(nèi)存分配器的模板參數(shù)就是整個(gè)比較過(guò)程中唯一的變量，使用默認(rèn)分配器的模板參數(shù)為 std::allocator，而使用內(nèi)存池的模板參數(shù)為 MemoryPool。

std::allocator 是 C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供的默認(rèn)分配器，他的特點(diǎn)就在于我們?cè)?使用 new 來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存構(gòu)造新對(duì)象的時(shí)候，勢(shì)必要調(diào)用類(lèi)對(duì)象的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，而使用 std::allocator 則可以將內(nèi)存分配和對(duì)象的構(gòu)造這兩部分邏輯給分離開(kāi)來(lái)，使得分配的內(nèi)存是原始、未構(gòu)造的。

下面我們來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)鏈表?xiàng)！?/p>

三、模板鏈表?xiàng)?/h2>

棧的結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，沒(méi)有什么復(fù)雜的邏輯操作，其成員函數(shù)只需要考慮兩個(gè)基本的操作：入棧、出棧。為了操作上的方便，我們可能還需要這樣一些方法：判斷棧是否空、清空棧、獲得棧頂元素。

#include <memory>
template <typename T>
struct StackNode_
{
  T data;
  StackNode_* prev;
};
// T 為存儲(chǔ)的對(duì)象類(lèi)型, Alloc 為使用的分配器, 并默認(rèn)使用 std::allocator 作為對(duì)象的分配器
template <typename T, typename Alloc = std::allocator<T> >
class StackAlloc
{
  public:
    // 使用 typedef 簡(jiǎn)化類(lèi)型名
    typedef StackNode_<T> Node;
    typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;
    // 默認(rèn)構(gòu)造
    StackAlloc() { head_ = 0; }
    // 默認(rèn)析構(gòu)
    ~StackAlloc() { clear(); }
    // 當(dāng)棧中元素為空時(shí)返回 true
    bool empty() {return (head_ == 0);}
    // 釋放棧中元素的所有內(nèi)存
    void clear();
    // 壓棧
    void push(T element);
    // 出棧
    T pop();
    // 返回棧頂元素
    T top() { return (head_->data); }
  private:
    // 
    allocator allocator_;
    // 棧頂
    Node* head_;
};

簡(jiǎn)單的邏輯諸如構(gòu)造、析構(gòu)、判斷棧是否空、返回棧頂元素的邏輯都非常簡(jiǎn)單，直接在上面的定義中實(shí)現(xiàn)了，下面我們來(lái)實(shí)現(xiàn) clear(), push() 和 pop() 這三個(gè)重要的邏輯：

// 釋放棧中元素的所有內(nèi)存
void clear() {
  Node* curr = head_;
  // 依次出棧
  while (curr != 0)
  {
    Node* tmp = curr->prev;
    // 先析構(gòu), 再回收內(nèi)存
    allocator_.destroy(curr);
    allocator_.deallocate(curr, 1);
    curr = tmp;
  }
  head_ = 0;
}
// 入棧
void push(T element) {
  // 為一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存
  Node* newNode = allocator_.allocate(1);
  // 調(diào)用節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造函數(shù)
  allocator_.construct(newNode, Node());
  // 入棧操作
  newNode->data = element;
  newNode->prev = head_;
  head_ = newNode;
}
// 出棧
T pop() {
  // 出棧操作 返回出棧元素
  T result = head_->data;
  Node* tmp = head_->prev;
  allocator_.destroy(head_);
  allocator_.deallocate(head_, 1);
  head_ = tmp;
  return result;
}

至此，我們完成了整個(gè)模板鏈表?xiàng)?，現(xiàn)在我們可以先注釋掉 main() 函數(shù)中使用內(nèi)存池部分的代碼來(lái)測(cè)試這個(gè)連表?xiàng)５膬?nèi)存分配情況，我們就能夠得到這樣的結(jié)果：

在使用 std::allocator 的默認(rèn)內(nèi)存分配器中，在

#define ELEMS 10000000
#define REPS 100

的條件下，總共花費(fèi)了近一分鐘的時(shí)間。

如果覺(jué)得花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，不愿等待，則你嘗試可以減小這兩個(gè)值

總結(jié)

本節(jié)我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于測(cè)試性能比較的模板鏈表?xiàng)＃壳暗拇a如下。在下一節(jié)中，我們開(kāi)始詳細(xì)實(shí)現(xiàn)我們的高性能內(nèi)存池。

// StackAlloc.hpp
#ifndef STACK_ALLOC_H
#define STACK_ALLOC_H
#include <memory>
template <typename T>
struct StackNode_
{
  T data;
  StackNode_* prev;
};
// T 為存儲(chǔ)的對(duì)象類(lèi)型, Alloc 為使用的分配器,
// 并默認(rèn)使用 std::allocator 作為對(duì)象的分配器
template <class T, class Alloc = std::allocator<T> >
class StackAlloc
{
  public:
    // 使用 typedef 簡(jiǎn)化類(lèi)型名
    typedef StackNode_<T> Node;
    typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;
    // 默認(rèn)構(gòu)造
    StackAlloc() { head_ = 0; }
    // 默認(rèn)析構(gòu)
    ~StackAlloc() { clear(); }
    // 當(dāng)棧中元素為空時(shí)返回 true
    bool empty() {return (head_ == 0);}
    // 釋放棧中元素的所有內(nèi)存
    void clear() {
      Node* curr = head_;
      while (curr != 0)
      {
        Node* tmp = curr->prev;
        allocator_.destroy(curr);
        allocator_.deallocate(curr, 1);
        curr = tmp;
      }
      head_ = 0;
    }
    // 入棧
    void push(T element) {
      // 為一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配內(nèi)存
      Node* newNode = allocator_.allocate(1);
      // 調(diào)用節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造函數(shù)
      allocator_.construct(newNode, Node());
      // 入棧操作
      newNode->data = element;
      newNode->prev = head_;
      head_ = newNode;
    }
    // 出棧
    T pop() {
      // 出棧操作 返回出棧結(jié)果
      T result = head_->data;
      Node* tmp = head_->prev;
      allocator_.destroy(head_);
      allocator_.deallocate(head_, 1);
      head_ = tmp;
      return result;
    }
    // 返回棧頂元素
    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"
// 根據(jù)電腦性能調(diào)整這些值
// 插入元素個(gè)數(shù)
#define ELEMS 25000000
// 重復(fù)次數(shù)
#define REPS 50
int main()
{
    clock_t start;
   // 使用默認(rèn)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";
    // 使用內(nèi)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;
}

四、設(shè)計(jì)內(nèi)存池

在上一節(jié)實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)谀０彐湵項(xiàng)Ｖ惺褂昧四J(rèn)構(gòu)造器來(lái)管理?xiàng)２僮髦械脑貎?nèi)存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()這些關(guān)鍵性的接口。所以為了讓代碼直接可用，我們同樣應(yīng)該在內(nèi)存池中設(shè)計(jì)同樣的接口：

#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 簡(jiǎn)化類(lèi)型書(shū)寫(xiě)
    typedef T*              pointer;

    // 定義 rebind<U>::other 接口
    template <typename U> struct rebind {
      typedef MemoryPool<U> other;
    };

    // 默認(rèn)構(gòu)造, 初始化所有的槽指針
    // C++11 使用了 noexcept 來(lái)顯式的聲明此函數(shù)不會(huì)拋出異常
    MemoryPool() noexcept {
      currentBlock_ = nullptr;
      currentSlot_ = nullptr;
      lastSlot_ = nullptr;
      freeSlots_ = nullptr;
    }

    // 銷(xiāo)毀一個(gè)現(xiàn)有的內(nèi)存池
    ~MemoryPool() noexcept;

    // 同一時(shí)間只能分配一個(gè)對(duì)象, n 和 hint 會(huì)被忽略
    pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0);

    // 銷(xiāo)毀指針 p 指向的內(nèi)存區(qū)塊
    void deallocate(pointer p, size_t n = 1);

    // 調(diào)用構(gòu)造函數(shù)
    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args);

    // 銷(xiāo)毀內(nèi)存池中的對(duì)象, 即調(diào)用對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)
    template <typename U>
    void destroy(U* p) {
      p->~U();
    }

???????  private:
    // 用于存儲(chǔ)內(nèi)存池中的對(duì)象槽, 
    // 要么被實(shí)例化為一個(gè)存放對(duì)象的槽, 
    // 要么被實(shí)例化為一個(gè)指向存放對(duì)象槽的槽指針
    union Slot_ {
      T element;
      Slot_* next;
    };

    // 數(shù)據(jù)指針
    typedef char* data_pointer_;
    // 對(duì)象槽
    typedef Slot_ slot_type_;
    // 對(duì)象槽指針
    typedef Slot_* slot_pointer_;

    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊
    slot_pointer_ currentBlock_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊的一個(gè)對(duì)象槽
    slot_pointer_ currentSlot_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊的最后一個(gè)對(duì)象槽
    slot_pointer_ lastSlot_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊中的空閑對(duì)象槽
    slot_pointer_ freeSlots_;

    // 檢查定義的內(nèi)存池大小是否過(guò)小
    static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};

#endif // MEMORY_POOL_HPP

在上面的類(lèi)設(shè)計(jì)中可以看到，在這個(gè)內(nèi)存池中，其實(shí)是使用鏈表來(lái)管理整個(gè)內(nèi)存池的內(nèi)存區(qū)塊的。內(nèi)存池首先會(huì)定義固定大小的基本內(nèi)存區(qū)塊(Block)，然后在其中定義了一個(gè)可以實(shí)例化為存放對(duì)象內(nèi)存槽的對(duì)象槽（Slot_）和對(duì)象槽指針的一個(gè)聯(lián)合。然后在區(qū)塊中，定義了四個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)的指針，它們的作用分別是：

currentBlock_: 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊的指針

currentSlot_: 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊中的對(duì)象槽

lastSlot_: 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊中的最后一個(gè)對(duì)象槽

freeSlots_: 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊中所有空閑的對(duì)象槽

梳理好整個(gè)內(nèi)存池的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之后，我們就可以開(kāi)始實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性的邏輯了。

五、實(shí)現(xiàn)

MemoryPool::construct() 實(shí)現(xiàn)

MemoryPool::construct() 的邏輯是最簡(jiǎn)單的，我們需要實(shí)現(xiàn)的，僅僅只是調(diào)用信件對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)即可，因此：

// 調(diào)用構(gòu)造函數(shù), 使用 std::forward 轉(zhuǎn)發(fā)變參模板
template <typename U, typename... Args>
void construct(U* p, Args&&... args) {
    new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
}

MemoryPool::deallocate() 實(shí)現(xiàn)

MemoryPool::deallocate() 是在對(duì)象槽中的對(duì)象被析構(gòu)后才會(huì)被調(diào)用的，主要目的是銷(xiāo)毀內(nèi)存槽。其邏輯也不復(fù)雜：

// 銷(xiāo)毀指針 p 指向的內(nèi)存區(qū)塊
void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
  if (p != nullptr) {
    // reinterpret_cast 是強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換符
    // 要訪(fǎng)問(wèn) next 必須強(qiáng)制將 p 轉(zhuǎn)成 slot_pointer_
    reinterpret_cast<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
    freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);
  }
}

MemoryPool::~MemoryPool() 實(shí)現(xiàn)

析構(gòu)函數(shù)負(fù)責(zé)銷(xiāo)毀整個(gè)內(nèi)存池，因此我們需要逐個(gè)刪除掉最初向操作系統(tǒng)申請(qǐng)的內(nèi)存塊：

????// 銷(xiāo)毀一個(gè)現(xiàn)有的內(nèi)存池
~MemoryPool() noexcept {
  // 循環(huán)銷(xiāo)毀內(nèi)存池中分配的內(nèi)存區(qū)塊
  slot_pointer_ curr = currentBlock_;
  while (curr != nullptr) {
    slot_pointer_ prev = curr->next;
    operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
    curr = prev;
  }
}

MemoryPool::allocate() 實(shí)現(xiàn)

MemoryPool::allocate() 毫無(wú)疑問(wèn)是整個(gè)內(nèi)存池的關(guān)鍵所在，但實(shí)際上理清了整個(gè)內(nèi)存池的設(shè)計(jì)之后，其實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。具體實(shí)現(xiàn)如下：

????// 同一時(shí)間只能分配一個(gè)對(duì)象, n 和 hint 會(huì)被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
  // 如果有空閑的對(duì)象槽，那么直接將空閑區(qū)域交付出去
  if (freeSlots_ != nullptr) {
    pointer result = reinterpret_cast<pointer>(freeSlots_);
    freeSlots_ = freeSlots_->next;
    return result;
  } else {
    // 如果對(duì)象槽不夠用了，則分配一個(gè)新的內(nèi)存區(qū)塊
    if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
      // 分配一個(gè)新的內(nèi)存區(qū)塊，并指向前一個(gè)內(nèi)存區(qū)塊
      data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast<data_pointer_>(operator new(BlockSize));
      reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;
      currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock);
      // 填補(bǔ)整個(gè)區(qū)塊來(lái)滿(mǎn)足元素內(nèi)存區(qū)域的對(duì)齊要求
      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_) + 1);
    }
    return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);
  }
}

六、與 std::vector 的性能對(duì)比

我們知道，對(duì)于棧來(lái)說(shuō)，鏈棧其實(shí)并不是最好的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的棧不可避免的會(huì)涉及到指針相關(guān)的操作，同時(shí)，還會(huì)消耗一定量的空間來(lái)存放節(jié)點(diǎn)之間的指針。事實(shí)上，我們可以使用 std::vector 中的 push_back() 和 pop_back() 這兩個(gè)操作來(lái)模擬一個(gè)棧，我們不妨來(lái)對(duì)比一下這個(gè) std::vector 與我們所實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存池在性能上誰(shuí)高誰(shuí)低，我們?cè)?主函數(shù)中加入如下代碼：

// 比較內(nèi)存池和 std::vector 之間的性能
    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";

這時(shí)候，我們重新編譯代碼，就能夠看出這里面的差距了：

首先是使用默認(rèn)分配器的鏈表?xiàng)Ｋ俣茸盥浯问鞘褂?std::vector 模擬的棧結(jié)構(gòu)，在鏈表?xiàng)５幕A(chǔ)上大幅度削減了時(shí)間。

std::vector 的實(shí)現(xiàn)方式其實(shí)和內(nèi)存池較為類(lèi)似，在 std::vector 空間不夠用時(shí)，會(huì)拋棄現(xiàn)在的內(nèi)存區(qū)域重新申請(qǐng)一塊更大的區(qū)域，并將現(xiàn)在內(nèi)存區(qū)域中的數(shù)據(jù)整體拷貝一份到新區(qū)域中。

最后，對(duì)于我們實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存池，消耗的時(shí)間最少，即內(nèi)存分配性能最佳，完成了本項(xiàng)目。

總結(jié)

本節(jié)中，我們實(shí)現(xiàn)了我們上節(jié)實(shí)驗(yàn)中未實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存池，完成了整個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)。這個(gè)內(nèi)存池不僅精簡(jiǎn)而且高效，整個(gè)內(nèi)存池的完整代碼如下：

#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 簡(jiǎn)化類(lèi)型書(shū)寫(xiě)
    typedef T*              pointer;

    // 定義 rebind<U>::other 接口
    template <typename U> struct rebind {
      typedef MemoryPool<U> other;
    };

    // 默認(rèn)構(gòu)造
    // C++11 使用了 noexcept 來(lái)顯式的聲明此函數(shù)不會(huì)拋出異常
    MemoryPool() noexcept {
      currentBlock_ = nullptr;
      currentSlot_ = nullptr;
      lastSlot_ = nullptr;
      freeSlots_ = nullptr;
    }

    // 銷(xiāo)毀一個(gè)現(xiàn)有的內(nèi)存池
    ~MemoryPool() noexcept {
      // 循環(huán)銷(xiāo)毀內(nèi)存池中分配的內(nèi)存區(qū)塊
      slot_pointer_ curr = currentBlock_;
      while (curr != nullptr) {
        slot_pointer_ prev = curr->next;
        operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));
        curr = prev;
      }
    }

    // 同一時(shí)間只能分配一個(gè)對(duì)象, n 和 hint 會(huì)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_) {
          // 分配一個(gè)內(nèi)存區(qū)塊
          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_) + 1);
        }
        return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);
      }
    }

    // 銷(xiāo)毀指針 p 指向的內(nèi)存區(qū)塊
    void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
      if (p != nullptr) {
        reinterpret_cast<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
        freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);
      }
    }

    // 調(diào)用構(gòu)造函數(shù), 使用 std::forward 轉(zhuǎn)發(fā)變參模板
    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args) {
      new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
    }

    // 銷(xiāo)毀內(nèi)存池中的對(duì)象, 即調(diào)用對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)
    template <typename U>
    void destroy(U* p) {
      p->~U();
    }

  private:
    // 用于存儲(chǔ)內(nèi)存池中的對(duì)象槽
    union Slot_ {
      T element;
      Slot_* next;
    };

    // 數(shù)據(jù)指針
    typedef char* data_pointer_;
    // 對(duì)象槽
    typedef Slot_ slot_type_;
    // 對(duì)象槽指針
    typedef Slot_* slot_pointer_;

    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊
    slot_pointer_ currentBlock_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊的一個(gè)對(duì)象槽
    slot_pointer_ currentSlot_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊的最后一個(gè)對(duì)象槽
    slot_pointer_ lastSlot_;
    // 指向當(dāng)前內(nèi)存區(qū)塊中的空閑對(duì)象槽
    slot_pointer_ freeSlots_;
    // 檢查定義的內(nèi)存池大小是否過(guò)小
    static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};

#endif // MEMORY_POOL_HPP

以上就是C++中高性能內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++高性能內(nèi)存池的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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