一、概述
在 C/C++ 中，內存管理是一個非常棘手的問題，我們在編寫一個程序的時候幾乎不可避免的要遇到內存的分配邏輯，這時候隨之而來的有這樣一些問題：是否有足夠的內存可供分配? 分配失敗了怎麼辦? 如何管理自身的內存使用情況? 等等一系列問題。在一個高可用的軟件中，如果我們僅僅單純的向操作系統去申請內存，當出現內存不足時就退出軟件，是明顯不合理的。正確的思路應該是在內存不足的時，考慮如何管理並優化自身已經使用的內存，這樣才能使得軟件變得更加可用。本次項目我們將實現一個內存池，並使用一個棧結構來測試我們的內存池提供的分配性能。最終，我們要實現的內存池在棧結構中的性能，要遠高於使用 std::allocator 和 std::vector，如下圖所示：
項目涉及的知識點
C++ 中的內存分配器 std::allocator
內存池技術
手動實現模板鏈式棧
鏈式棧和列表棧的性能比較
內存池簡介
內存池是池化技術中的一種形式。通常我們在編寫程序的時候回使用 new delete 這些關鍵字來向操作系統申請內存，而這樣造成的後果就是每次申請內存和釋放內存的時候，都需要和操作系統的系統調用打交道，從堆中分配所需的內存。如果這樣的操作太過頻繁，就會找成大量的內存碎片進而降低內存的分配性能，甚至出現內存分配失敗的情況。
而內存池就是為了解決這個問題而產生的一種技術。從內存分配的概念上看，內存申請無非就是向內存分配方索要一個指針，當向操作系統申請內存時，操作系統需要進行復雜的內存管理調度之後，才能正確的分配出一個相應的指針。而這個分配的過程中，我們還面臨著分配失敗的風險。
所以，每一次進行內存分配，就會消耗一次分配內存的時間，設這個時間為 T，那麼進行 n 次分配總共消耗的時間就是 nT；如果我們一開始就確定好我們可能需要多少內存，那麼在最初的時候就分配好這樣的一塊內存區域，當我們需要內存的時候，直接從這塊已經分配好的內存中使用即可，那麼總共需要的分配時間僅僅只有 T。當 n 越大時，節約的時間就越多。
二、主函數設計
我們要設計實現一個高性能的內存池，那麼自然避免不了需要對比已有的內存，而比較內存池對內存的分配性能，就需要實現一個需要對內存進行動態分配的結構（比如：鏈表棧），為此，可以寫出如下的代碼：
#include // std::cout, std::endl
#include // assert()
#include // clock()
#include // std::vector
#include "MemoryPool.hpp" // MemoryPool
#include "StackAlloc.hpp" // StackAlloc
// 插入元素個數
#define ELEMS 10000000
// 重復次數
#define REPS 100
int main()
{
clock_t start;
// 使用 STL 默認分配器
StackAlloc > 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";
// 使用內存池
StackAlloc > 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 是一個鏈表棧，接受兩個模板參數，第一個參數是棧中的元素類型，第二個參數就是棧使用的內存分配器。
因此，這個內存分配器的模板參數就是整個比較過程中唯一的變量，使用默認分配器的模板參數為 std::allocator，而使用內存池的模板參數為 MemoryPool。
std::allocator 是 C++標准庫中提供的默認分配器，他的特點就在於我們在 使用 new 來申請內存構造新對象的時候，勢必要調用類對象的默認構造函數，而使用 std::allocator 則可以將內存分配和對象的構造這兩部分邏輯給分離開來，使得分配的內存是原始、未構造的。
下面我們來實現這個鏈表棧。
三、模板鏈表棧
棧的結構非常的簡單，沒有什麼復雜的邏輯操作，其成員函數只需要考慮兩個基本的操作：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
template
struct StackNode_
{
T data;
StackNode_* prev;
};
// T 為存儲的對象類型, Alloc 為使用的分配器, 並默認使用 std::allocator 作為對象的分配器
template >
class StackAlloc
{
public:
// 使用 typedef 簡化類型名
typedef StackNode_ Node;
typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
// 默認構造
StackAlloc() { head_ = 0; }
// 默認析構
~StackAlloc() { clear(); }
// 當棧中元素為空時返回 true
bool empty() {return (head_ == 0);}
// 釋放棧中元素的所有內存
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_;
};
簡單的邏輯諸如構造、析構、判斷棧是否空、返回棧頂元素的邏輯都非常簡單，直接在上面的定義中實現了，下面我們來實現 clear(), push() 和 pop() 這三個重要的邏輯：
// 釋放棧中元素的所有內存
void clear() {
Node* curr = head_;
// 依次出棧
while (curr != 0)
{
Node* tmp = curr->prev;
// 先析構, 再回收內存
allocator_.destroy(curr);
allocator_.deallocate(curr, 1);
curr = tmp;
}
head_ = 0;
}
// 入棧
void push(T element) {
// 為一個節點分配內存
Node* newNode = allocator_.allocate(1);
// 調用節點的構造函數
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，我們完成了整個模板鏈表棧，現在我們可以先注釋掉 main() 函數中使用內存池部分的代碼來測試這個連表棧的內存分配情況，我們就能夠得到這樣的結果：
在使用 std::allocator 的默認內存分配器中，在
#define ELEMS 10000000
#define REPS 100
的條件下，總共花費了近一分鐘的時間。
如果覺得花費的時間較長，不願等待，則你嘗試可以減小這兩個值
總結
本節我們實現了一個用於測試性能比較的模板鏈表棧，目前的代碼如下。在下一節中，我們開始詳細實現我們的高性能內存池。
// StackAlloc.hpp
#ifndef STACK_ALLOC_H
#define STACK_ALLOC_H
#include
template
struct StackNode_
{
T data;
StackNode_* prev;
};
// T 為存儲的對象類型, Alloc 為使用的分配器,
// 並默認使用 std::allocator 作為對象的分配器
template >
class StackAlloc
{
public:
// 使用 typedef 簡化類型名
typedef StackNode_ Node;
typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
// 默認構造
StackAlloc() { head_ = 0; }
// 默認析構
~StackAlloc() { clear(); }
// 當棧中元素為空時返回 true
bool empty() {return (head_ == 0);}
// 釋放棧中元素的所有內存
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) {
// 為一個節點分配內存
Node* newNode = allocator_.allocate(1);
// 調用節點的構造函數
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
#include
#include
#include
// #include "MemoryPool.hpp"
#include "StackAlloc.hpp"
// 根據電腦性能調整這些值
// 插入元素個數
#define ELEMS 25000000
// 重復次數
#define REPS 50
int main()
{
clock_t start;
// 使用默認分配器
StackAlloc > 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";
// 使用內存池
// StackAlloc > 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;
}
二、設計內存池
在上一節實驗中，我們在模板鏈表棧中使用了默認構造器來管理棧操作中的元素內存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()這些關鍵性的接口。所以為了讓代碼直接可用，我們同樣應該在內存池中設計同樣的接口：
#ifndef MEMORY_POOL_HPP
#define MEMORY_POOL_HPP
#include
#include
template
class MemoryPool
{
public:
// 使用 typedef 簡化類型書寫
typedef T* pointer;
// 定義 rebind::other 接口
template struct rebind {
typedef MemoryPool other;
};
// 默認構造, 初始化所有的槽指針
// C++11 使用了 noexcept 來顯式的聲明此函數不會拋出異常
MemoryPool() noexcept {
currentBlock_ = nullptr;
currentSlot_ = nullptr;
lastSlot_ = nullptr;
freeSlots_ = nullptr;
}
// 銷毀一個現有的內存池
~MemoryPool() noexcept;
// 同一時間只能分配一個對象, n 和 hint 會被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0);
// 銷毀指針 p 指向的內存區塊
void deallocate(pointer p, size_t n = 1);
// 調用構造函數
template
void construct(U* p, Args&&... args);
// 銷毀內存池中的對象, 即調用對象的析構函數
template
void destroy(U* p) {
p->~U();
}
private:
// 用於存儲內存池中的對象槽,
// 要麼被實例化為一個存放對象的槽,
// 要麼被實例化為一個指向存放對象槽的槽指針
union Slot_ {
T element;
Slot_* next;
};
// 數據指針
typedef char* data_pointer_;
// 對象槽
typedef Slot_ slot_type_;
// 對象槽指針
typedef Slot_* slot_pointer_;
// 指向當前內存區塊
slot_pointer_ currentBlock_;
// 指向當前內存區塊的一個對象槽
slot_pointer_ currentSlot_;
// 指向當前內存區塊的最後一個對象槽
slot_pointer_ lastSlot_;
// 指向當前內存區塊中的空閒對象槽
slot_pointer_ freeSlots_;
// 檢查定義的內存池大小是否過小
static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};
#endif // MEMORY_POOL_HPP
在上面的類設計中可以看到，在這個內存池中，其實是使用鏈表來管理整個內存池的內存區塊的。內存池首先會定義固定大小的基本內存區塊(Block)，然後在其中定義了一個可以實例化為存放對象內存槽的對象槽（Slot_）和對象槽指針的一個聯合。然後在區塊中，定義了四個關鍵性質的指針，它們的作用分別是：
currentBlock_: 指向當前內存區塊的指針
currentSlot_: 指向當前內存區塊中的對象槽
lastSlot_: 指向當前內存區塊中的最後一個對象槽
freeSlots_: 指向當前內存區塊中所有空閒的對象槽
梳理好整個內存池的設計結構之後，我們就可以開始實現關鍵性的邏輯了。
三、實現
MemoryPool::construct() 實現
MemoryPool::construct() 的邏輯是最簡單的，我們需要實現的，僅僅只是調用信件對象的構造函數即可，因此：
// 調用構造函數, 使用 std::forward 轉發變參模板
template
void construct(U* p, Args&&... args) {
new (p) U (std::forward(args)...);
}
MemoryPool::deallocate() 實現
MemoryPool::deallocate() 是在對象槽中的對象被析構後才會被調用的，主要目的是銷毀內存槽。其邏輯也不復雜：
// 銷毀指針 p 指向的內存區塊
void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
if (p != nullptr) {
// reinterpret_cast 是強制類型轉換符
// 要訪問 next 必須強制將 p 轉成 slot_pointer_
reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;
freeSlots_ = reinterpret_cast(p);
}
}
MemoryPool::~MemoryPool() 實現
析構函數負責銷毀整個內存池，因此我們需要逐個刪除掉最初向操作系統申請的內存塊：
// 銷毀一個現有的內存池
~MemoryPool() noexcept {
// 循環銷毀內存池中分配的內存區塊
slot_pointer_ curr = currentBlock_;
while (curr != nullptr) {
slot_pointer_ prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast(curr));
curr = prev;
}
}
MemoryPool::allocate() 實現
MemoryPool::allocate() 毫無疑問是整個內存池的關鍵所在，但實際上理清了整個內存池的設計之後，其實現並不復雜。具體實現如下：
// 同一時間只能分配一個對象, n 和 hint 會被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
// 如果有空閒的對象槽，那麼直接將空閒區域交付出去
if (freeSlots_ != nullptr) {
pointer result = reinterpret_cast(freeSlots_);
freeSlots_ = freeSlots_->next;
return result;
} else {
// 如果對象槽不夠用了，則分配一個新的內存區塊
if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
// 分配一個新的內存區塊，並指向前一個內存區塊
data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast(operator new(BlockSize));
reinterpret_cast(newBlock)->next = currentBlock_;
currentBlock_ = reinterpret_cast(newBlock);
// 填補整個區塊來滿足元素內存區域的對齊要求
data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
uintptr_t result = reinterpret_cast(body);
size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
currentSlot_ = reinterpret_cast(body + bodyPadding);
lastSlot_ = reinterpret_cast(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
}
return reinterpret_cast(currentSlot_++);
}
}
四、與 std::vector 的性能對比
我們知道，對於棧來說，鏈棧其實並不是最好的實現方式，因為這種結構的棧不可避免的會涉及到指針相關的操作，同時，還會消耗一定量的空間來存放節點之間的指針。事實上，我們可以使用 std::vector 中的 push_back() 和 pop_back() 這兩個操作來模擬一個棧，我們不妨來對比一下這個 std::vector 與我們所實現的內存池在性能上誰高誰低，我們在 主函數中加入如下代碼：
// 比較內存池和 std::vector 之間的性能
std::vector 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";
這時候，我們重新編譯代碼，就能夠看出這裡面的差距了：
首先是使用默認分配器的鏈表棧速度最慢，其次是使用 std::vector 模擬的棧結構，在鏈表棧的基礎上大幅度削減了時間。
std::vector 的實現方式其實和內存池較為類似，在 std::vector 空間不夠用時，會拋棄現在的內存區域重新申請一塊更大的區域，並將現在內存區域中的數據整體拷貝一份到新區域中。
最後，對於我們實現的內存池，消耗的時間最少，即內存分配性能最佳，完成了本項目。
總結
本節中，我們實現了我們上節實驗中未實現的內存池，完成了整個項目的目標。 這個內存池不僅精簡而且高效，整個內存池的完整代碼如下：
#ifndef MEMORY_POOL_HPP
#define MEMORY_POOL_HPP
#include
#include
template
class MemoryPool
{
public:
// 使用 typedef 簡化類型書寫
typedef T* pointer;
// 定義 rebind::other 接口
template struct rebind {
typedef MemoryPool other;
};
// 默認構造
// C++11 使用了 noexcept 來顯式的聲明此函數不會拋出異常
MemoryPool() noexcept {
currentBlock_ = nullptr;
currentSlot_ = nullptr;
lastSlot_ = nullptr;
freeSlots_ = nullptr;
}
// 銷毀一個現有的內存池
~MemoryPool() noexcept {
// 循環銷毀內存池中分配的內存區塊
slot_pointer_ curr = currentBlock_;
while (curr != nullptr) {
slot_pointer_ prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast(curr));
curr = prev;
}
}
// 同一時間只能分配一個對象, n 和 hint 會被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
if (freeSlots_ != nullptr) {
pointer result = reinterpret_cast(freeSlots_);
freeSlots_ = freeSlots_->next;
return result;
}
else {
if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
// 分配一個內存區塊
data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast(operator new(BlockSize));
reinterpret_cast(newBlock)->next = currentBlock_;
currentBlock_ = reinterpret_cast(newBlock);
data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
uintptr_t result = reinterpret_cast(body);
size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
currentSlot_ = reinterpret_cast(body + bodyPadding);
lastSlot_ = reinterpret_cast(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
}
return reinterpret_cast(currentSlot_++);
}
}
// 銷毀指針 p 指向的內存區塊
void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
if (p != nullptr) {
reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;
freeSlots_ = reinterpret_cast(p);
}
}
// 調用構造函數, 使用 std::forward 轉發變參模板
template
void construct(U* p, Args&&... args) {
new (p) U (std::forward(args)...);
}
// 銷毀內存池中的對象, 即調用對象的析構函數
template
void destroy(U* p) {
p->~U();
}
private:
// 用於存儲內存池中的對象槽
union Slot_ {
T element;
Slot_* next;
};
// 數據指針
typedef char* data_pointer_;
// 對象槽
typedef Slot_ slot_type_;
// 對象槽指針
typedef Slot_* slot_pointer_;
// 指向當前內存區塊
slot_pointer_ currentBlock_;
// 指向當前內存區塊的一個對象槽
slot_pointer_ currentSlot_;
// 指向當前內存區塊的最後一個對象槽
slot_pointer_ lastSlot_;
// 指向當前內存區塊中的空閒對象槽
slot_pointer_ freeSlots_;
// 檢查定義的內存池大小是否過小
static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};
#endif // MEMORY_POOL_HPP
