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[导读]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...

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:

  1. 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

  2. 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;

  3. 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;

  4. 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:

  1. 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;
  2. 内存块头(_pHeader),也就是上面说的内存池节点;
  3. 内存块大小(_nSize),也就是每个节点多大;
  4. 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
 voidAllocMemory(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
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