一篇文章学会c++高效内存池设计与实现(含源码)

引言

C/C++下内存管理是让几乎每一个程序员头疼的问题，分配足够的内存、追踪内存的分配、在不需要的时候释放内存——这个任务相当复杂。而直接使用系统调用malloc/free、new/delete进行内存分配和释放，有以下弊端：

1. 调用malloc/new,系统需要根据“最先匹配”、“最优匹配”或其他算法在内存空闲块表中查找一块空闲内存，调用free/delete,系统可能需要合并空闲内存块，这些会产生额外开销
2. 频繁使用时会产生大量内存碎片，从而降低程序运行效率
3. 容易造成内存泄漏

内存池（memory pool)是代替直接调用malloc/free、new/delete进行内存管理的常用方法，当我们申请内存空间时，首先到我们的内存池中查找合适的内存块，而不是直接向操作系统申请，优势在于：

1. 比malloc/free进行内存申请/释放的方式快
2. 不会产生或很少产生堆碎片
3. 可避免内存泄漏

内存池设计

看到内存池好处这么多，是不是恨不能马上抛弃malloc/free，投奔内存池的怀抱呢？且慢，在我们自己动手实现内存池之前还需要明确以下几个问题：

1. 内存池的空间如何获得？是程序启动时分配一大块空间还是程序运行中按需求分配？
2. 内存池对到来的内存申请，有没有大小的限制？如果有，最小可申请的内存块为多大，最大的呢？
3. 如何合理设计内存块结构，方便我们进行内存的申请、追踪和释放呢？
4. 内存池占用越多空间，相对应其他程序能使用的内存就越少，是否要设定内存池空间的上限？设定为多少合适呢？

带着以上问题，我们来看以下一种内存池设计方案。

内存池实现方案一

从这里下载该内存池实现的源码：

https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/bangerlee/mempool

首先给出该方案的整体架构，如下：

图1.内存池架构图

结构中主要包含block、list 和pool这三个结构体，block结构包含指向实际内存空间的指针，前向和后向指针让block能够组成双向链表；list结构中free指针指向空闲 内存块组成的链表，used指针指向程序使用中的内存块组成的链表，size值为内存块的大小，list之间组成单向链表；pool结构记录list链表的头和尾。

内存跟踪策略

该方案中，在进行内存分配时，将多申请12个字节，即实际申请的内存大小为所需内存大小+12。在多申请的12个字节中，分别存放对应的list指针（4字节）、used指针（4字节）和校验码（4字节）。通过这样设定，我们很容易得到该块内存所在的list和block，校验码起到粗略检查是否出错的作用。该结构图示如下：

图2.内存块申请示意图

图中箭头指示的位置为内存块真正开始的位置。

内存申请和释放策略

申请：根据所申请内存的大小，遍历list链表，查看是否存在相匹配的size；

　　　　存在匹配size：查看free时候为NULL

　　　　　　free为NULL：使用malloc/new申请内存，并将其置于used所指链表的尾部

　　　　　　free不为NULL：将free所指链表的头结点移除，放置于used所指链表的尾部

　　　　不存在匹配size：新建list，使用malloc/new申请内存，并将其置于该list的used所指链表尾部

　　　返回内存空间指针

释放：根据内存跟踪策略，获取list指针和used指针，将其从used指针所指的链表中删除，放置于free指针所指向的链表

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对方案一的分析

对照“内存池设计”一节中提出的问题，我们的方案一有以下特点：

1. 程序启动后内存池并没有内存块，到程序真正进行内存申请和释放的时候才接管内存块管理；
2. 该内存池对到来的申请，对申请大小并不做限制，其为每个size值创建链表进行内存管理；
3. 该方案没有提供限定内存池大小的功能

结合分析，可以得出该方案应用场景如下：程序所申请的内存块大小比较固定（比如只申请/释放1024bytes或2048bytes的内存），申请和释放的频率基本保持一致（因申请多而释放少会占用过多内存，最终导致系统崩溃）。

这篇文章讲解了内存管理的基本知识，以一个简单的内存池实现例子作为敲门砖，引领大家认识内存池，下一篇为内存池进阶文章，讲解apache服务器中内存池的实现方法。