内存池设计与实现
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2021-10-13 21:45
内存池设计与实现
一、前言
作为C++程序员，想必对于内存操作这一块是比较熟悉和操作比较频繁的；
比如申请一个对象，使用new，申请一块内存使用malloc等等；
但是，往往会有一些困扰烦恼着大家，主要体现在两部分：
申请内存后忘记释放，造成内存泄漏 内存不能循环使用，造成大量内存碎片
这两个原因会影响我们程序长期平稳的运行，也有可能会导致程序的崩溃；
二、内存池
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。---引用来源互联网
三、内存池设计
内存池设计实现中主要分为以下几部分：
重载new 创建内存节点 创建内存池 管理内存池
下面，比较详细的来说说设计细节：
重载new就不说了，直接从内存节点开始；
内存池节点
内存池节点需要包含以下几点元素：
所属池子（
pMem），因为后续在内存池管理中可以直接调用申请内存和释放内存下一个节点（
pNext），这里主要是使用链表的思路，将所有的内存块关联起来；节点是否被使用（
bUsed），这里保证每次使用前，该节点是没有被使用的；是否属于内存池（
bBelong），主要是一般内存池维护的空间都不是特别大，但是用户申请了特别大的内存时，就走正常的申请流程，释放时也就正常释放；
内存池设计
内存池设计就是上面的图片类似，主要包含以下几点元素：
内存首地址（ _pBuffer），也就是第一块内存，这样以后方面寻找后面的内存块；内存块头（ _pHeader），也就是上面说的内存池节点；内存块大小（ _nSize），也就是每个节点多大；节点数（ _nBlock），及时有多少个节点；
这里面需要的注意的是，申请内存块的时候，需要加上节点头，但是申请完后返回给客户使用的需要去掉头；但是释放的时候，需要前移到头，不然就会出现异常；
释放内存：
释放内存的时候，将使用过的内存置为false，然后指向头部，将头部作为下一个节点，这样的话，节点每次回收就可以相应的被找到；
内存池管理
内存池创建后，会根据节点大小和个数创建相应的内存池；
内存池管理主要就是根据不同的需求创建不同的内存池，以达到管理的目的；
这里主要有一个概念：数组映射
数组映射就是不同的范围内，选择不同的内存池；
添一段代码：
void InitArray(int nBegin,int nEnd, MemoryPool*pMemPool)
{
for (int i = nBegin; i <= nEnd; i++)
{
_Alloc[i] = pMemPool;
}
}
根据范围进行绑定；
四、内存池实现
ManagerPool.hpp
#ifndef _MEMORYPOOL_HPP_
#define _MEMORYPOOL_HPP_
#include
#include
////一个内存块的最大内存大小,可以扩展
#define MAX_MEMORY_SIZE 256
class MemoryPool;
//内存块
struct MemoryBlock
{
MemoryBlock* pNext;//下一块内存块
bool bUsed;//是否使用
bool bBelong;//是否属于内存池
MemoryPool* pMem;//属于哪个池子
};
class MemoryPool
{
public:
MemoryPool(size_t nSize=128,size_t nBlock=10)
{
//相当于申请10块内存，每块内存是1024
_nSize = nSize;
_nBlock = nBlock;
_pHeader = NULL;
_pBuffer = NULL;
}
virtual ~MemoryPool()
{
if (_pBuffer != NULL)
{
free(_pBuffer);
}
}
//申请内存
void* AllocMemory(size_t nSize)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
//如果首地址为空，说明没有申请空间
if (_pBuffer == NULL)
{
InitMemory();
}
MemoryBlock* pRes = NULL;
//如果内存池不够用时，需要重新申请内存
if (_pHeader == NULL)
{
pRes = (MemoryBlock*)malloc(nSize+sizeof(MemoryBlock));
pRes->bBelong = false;
pRes->bUsed = false;
pRes->pNext = NULL;
pRes->pMem = NULL;
}
else
{
pRes = _pHeader;
_pHeader = _pHeader->pNext;
pRes->bUsed = true;
}
//返回只返回头后面的信息
return ((char*)pRes + sizeof(MemoryBlock));
}
//释放内存
void FreeMemory(void* p)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
//和申请内存刚好相反，这里需要包含头，然后全部释放
MemoryBlock* pBlock = ((MemoryBlock*)p - sizeof(MemoryBlock));
if (pBlock->bBelong)
{
pBlock->bUsed = false;
//循环链起来
pBlock->pNext = _pHeader;
pBlock = _pHeader;
}
else
{
//不属于内存池直接释放就可以
free(pBlock);
}
}
//初始化内存块
void InitMemory()
{
if (_pBuffer)
return;
//计算每块的大小
size_t PoolSize = _nSize + sizeof(MemoryBlock);
//计算需要申请多少内存
size_t BuffSize = PoolSize * _nBlock;
_pBuffer = (char*)malloc(BuffSize);
//初始化头
_pHeader = (MemoryBlock*)_pBuffer;
_pHeader->bUsed = false;
_pHeader->bBelong = true;
_pHeader->pMem = this;
//初始化_nBlock块，并且用链表的形式连接
//保存头指针
MemoryBlock* tmp1 = _pHeader;
for (size_t i = 1; i < _nBlock; i++)
{
MemoryBlock* tmp2 = (MemoryBlock*)(_pBuffer + i*PoolSize);
tmp2->bUsed = false;
tmp2->pNext = NULL;
tmp2->bBelong = true;
_pHeader->pMem = this;
tmp1->pNext = tmp2;
tmp1 = tmp2;
}
}
public:
//内存首地址（第一块内存的地址）
char* _pBuffer;
//内存块头
MemoryBlock* _pHeader;
//内存块大小
size_t _nSize;
//多少块
size_t _nBlock;
std::mutex _mutex;
};
//可以使用模板传递参数
template<size_t nSize,size_t nBlock>
class MemoryPoolor:public MemoryPool
{
public:
MemoryPoolor()
{
_nSize = nSize;
_nBlock = nBlock;
}
};
//需要重新对内存池就行管理
class ManagerPool
{
public:
static ManagerPool& Instance()
{
static ManagerPool memPool;
return memPool;
}
void* AllocMemory(size_t nSize)
{
if (nSize < MAX_MEMORY_SIZE)
{
return _Alloc[nSize]->AllocMemory(nSize);
}
else
{
MemoryBlock* pRes = (MemoryBlock*)malloc(nSize + sizeof(MemoryBlock));
pRes->bBelong = false;
pRes->bUsed = true;
pRes->pMem = NULL;
pRes->pNext = NULL;
return ((char*)pRes + sizeof(MemoryBlock));
}
}
//释放内存
void FreeMemory(void* p)
{
MemoryBlock* pBlock = (MemoryBlock*)((char*)p - sizeof(MemoryBlock));
//释放内存池
if (pBlock->bBelong)
{
pBlock->pMem->FreeMemory(p);
}
else
{
free(pBlock);
}
}
private:
ManagerPool()
{
InitArray(0,128, &_memory128);
InitArray(129, 256, &_memory256);
}
~ManagerPool()
{
}
void InitArray(int nBegin,int nEnd, MemoryPool*pMemPool)
{
for (int i = nBegin; i <= nEnd; i++)
{
_Alloc[i] = pMemPool;
}
}
//可以根据不同内存块进行分配
MemoryPoolor<128, 1000> _memory128;
MemoryPoolor<256, 1000> _memory256;
//映射数组
MemoryPool* _Alloc[MAX_MEMORY_SIZE + 1];
};
#endif
OperatorMem.hpp
#ifndef _OPERATEMEM_HPP_
#define _OPERATEMEM_HPP_
#include
#include
#include "MemoryPool.hpp"
void* operator new(size_t nSize)
{
return ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}
void operator delete(void* p)
{
return ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}
void* operator new[](size_t nSize)
{
return ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}
void operator delete[](void* p)
{
return ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}
#endif
mian.cpp
#include "OperateMem.hpp"
using namespace std;
int main()
{
char* p = new char[128];
delete[] p;
return 0;
}