高性能内存池实现
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2021-12-23 13:43
对于从事c/c++开发的人来说，malloc/new再也熟悉不过了，对于堆上的内存分配，都是使用标准库提供的函数来进行内存分配，而这些函数最终也会进入到系统调用(brk等)，每次的内存申请和释放，都可能会涉及到底层内存数据的调整，所以效率会非常低。如果我们一次申请一块很大的内存块，后续所有的内存申请和分配，都是基于这一块内存来进行，这样效率就会提升很多，本文主要就是实现一个高效的固定大小的内存池。
结构
图一
实现
内存块定义：
typedef struct memory_block {unsigned int size;unsigned int free_size;unsigned int first_free;struct memory_block *next;char a_data[1];} s_memory_block;
内存池Header:
typedef struct memory_pool {unsigned int unit_size;unsigned int init_size;unsigned int grow_size;s_memory_block *block;} s_memory_pool;
初始化内存池：
//此函数初始化内存池Headers_memory_pool *memory_pool_create(unsigned int size) {s_memory_pool *mp;mp = (s_memory_pool*)malloc(sizeof(s_memory_pool));mp->first_block = NULL;mp->init_size = 10000;mp->grow_size = 10000;if(size < sizeof(unsigned int))mp->obj_size = sizeof(unsigned int);//对齐mp->unit_size = (size + (MEMPOOL_ALIGNMENT-1)) & ~(MEMPOOL_ALIGNMENT-1);return mp;}
当初始化之后，内存池结构变成：
图二
从函数实现内容来看，是初始化了内存池的头。
内存分配函数：
1、从mp的first_block开始，如果其为空，则表明该内存池为首次创建，需要分配内存块，并在该内存块内进行链式初始化，返回该块的第一小块地址。
2、从first_block开始，查找一个有内存可分配的block，如果有，则分配，并将first_free指向该块的下一个地址。
3、重新建一个block，进行分配，并将该新块插入到mp的头部
void *memory_alloc(s_memory_pool *mp) {register unsigned int i;register char *data;//unsigned int length;if(mp->first_block == NULL)//memory_pool is NULL{s_memory_block *mb;mb = (s_memory_block *)malloc((mp->init_size)*(mp->obj_size) + sizeof(s_memory_block));//create first memory_blockif(mb == NULL){perror("memory allocate failed!\n");return NULL;}/* init the first block */mb->next = NULL;mb->free_size = mp->init_size - 1;mb->first_free = 1;mb->size = mp->init_size*mp->obj_size;mp->first_block = mb;data = mb->a_data;/* set the mark */for(i=1; iinit_size; ++i) {//初始化块，链接方式类似于链表}return (void *)mb->a_data;} //如图三s_memory_block *pm_block = mp->first_block;while((pm_block!=NULL) && (pm_block->free_size==0)){pm_block = pm_block->next;}if(pm_block != NULL){char *pfree = pm_block->a_data + pm_block->first_free * mp->obj_size;//查找一个可用块返回// ......return (void *)pfree;}else{if(mp->grow_size == 0)return NULL;s_memory_block *new_block = (s_memory_block *)malloc((mp->grow_size)*(mp->obj_size) + sizeof(s_memory_block));if(new_block == NULL)return NULL;data = new_block->a_data;for(i=1; igrow_size; ++i) {//链式}//将新块插入到链表头首部return (void *)(new_block->a_data);}}
释放函数：
1、遍历该内存池，查找所要释放的内存块pfree所在的block
2、将该block的first指向该pfree的偏移
3、该pfree的偏移指向之前block的first
注：2、3处相当于链表的插入
inline void* memory_free(s_memory_pool *mp, void *pfree){if(mp->first_block == NULL)return;s_memory_block *pm_block = mp->first_block;s_memory_block *pm_pre_block = mp->first_block;/* research the memory_block which the pfree in */while(pm_block && ((unsigned int)pfree<(unsigned int)pm_block->a_data ||(unsigned int)pfree>((unsigned int)pm_block->a_data+pm_block->size))){//pm_pre_block = pm_block;pm_block = pm_block->next;if(pm_block == NULL)return NULL;}//获取偏移地址unsigned int offset = pfree -(void*) pm_block->a_data;if((offset&(mp->obj_size -1)) > 0)return pfree;//将释放的内存块返回给内存池对应的Block块pm_block->free_size++;*((unsigned int *)pfree) = pm_block->first_free;pm_block->first_free=(unsigned int)(offset/mp->obj_size);return NULL;}
图三
当内存池为空的时候，也就是首次调用memory_alloc函数时候，会创建一个新的Block，并对这个Block进行初始化，然后返回首块地址 。
当第二次调用memory_alloc之后，如图四所示。
当第三次调用memory_alloc之后，如图五所示。
图四
图五
图六
当释放第二次分配的内存之后，整个内存块链表如图六所示。
图八
当现在所有的Block里面都没有可用内存之后，就重新申请一块Block，并插入到Header的头部，如图八所示。
内存池数据结果：
与库函数malloc相比，性能提升了大概25%左右
注：本文旨在于提供一种设计思路，在本文实现的内存池，仅仅支持单线程，固定大小的，读者可以针对该思路，进行改进