菜鸟笔记
提升您的技术认知
当前位置：菜鸟笔记 > C++ 笔记 > 正文

STL内存池

简单说下：设计内存池的目的主要是为了解决在一些特殊的场合（比如：网络编程时接受数据包）频繁的创建和销毁、造成的大量的内存碎片和降低效率。

在STL的内存池中可以看到、它的实现是利用了一个自由链表数组、Obj** free_lists;数组中每个元素都是一个自由链表的头指针、它指向一个由多个内存块连成的链表。另外、每个链表中所包含的内存块的大小是固定的、STL中是从8开始到128byte结束、块与块间的大小间隔也是8、也就是8、16、24、32、40、48、56、64、72、80、88、96、104、112、120、128。那么free_lists链表数组的大小也就是16。

先看一下我按照STL中的方案实现的内存池代码：

//头文件
#pragma once
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <string>
using namespace std;

class CMemoryPool
{
private:
	const unsigned int Align ;
	const unsigned int MaxBytes;
	const unsigned int NumberOfFreeList;
	const unsigned int NumberOfAddNodeEachTime;
	union Obj
	{//使用共用体达到了，next连接节点的指针在分配之前作用为指向下一个节点、在分配之后作用为用户使用空间
		union Obj* next;
		char  client[1];	
	};
	Obj**			FreeLists;
	char*			startPos;
	char*			endPos;
	unsigned int	heapSize;	//内存池分配的总大小

	char**			ptrToHeadEachAlloc;	//每次内存池向系统申请空间时这里会记录一个首地址
	size_t			maxAllocTime;		//最大次数、用于记录
	size_t			allocTime;			//向系统申请空间的次数
public:
	CMemoryPool(unsigned nAlign = 8,unsigned nMaxBytes = 128,unsigned nNumberOfAddNodeEachTime = 20);
	virtual ~CMemoryPool(void);
private:
	size_t ROUND_UP(size_t size) {
		return ((size + Align - 1) & ~(Align - 1));
	}
 
	size_t FREELIST_INDEX(size_t size) {
		return (size + Align - 1) / Align - 1;
	}
protected:
	void*	allocate(size_t size);
	void*	refill(size_t size);
	char*	blockAlloc(size_t size, size_t& num);
	void	deallocate(void* ptr, size_t size);
	void	close();
};

//源文件
#include "MemoryPool.h"

CMemoryPool::CMemoryPool(unsigned nAlign,unsigned nMaxBytes ,unsigned nNumberOfAddNodeEachTime)
	:Align(nAlign),MaxBytes(ROUND_UP(nMaxBytes)),NumberOfFreeList(nMaxBytes / nAlign),
	NumberOfAddNodeEachTime(nNumberOfAddNodeEachTime),
	FreeLists(new Obj*[NumberOfFreeList]),startPos(NULL),endPos(NULL),heapSize(0),
	ptrToHeadEachAlloc((char**)malloc(50)),maxAllocTime(50),allocTime(0)
{
	for(size_t i = 0; i < NumberOfFreeList; i++)
		FreeLists[i] = NULL;
}


CMemoryPool::~CMemoryPool(void)
{
	
}

void		CMemoryPool::close()
{
	for(size_t i = 0; i < allocTime; i++){
		if(ptrToHeadEachAlloc[i]){
			free(ptrToHeadEachAlloc[i]);
			ptrToHeadEachAlloc[i] = NULL;
		}
	}
	if(ptrToHeadEachAlloc){
		free(ptrToHeadEachAlloc);
		ptrToHeadEachAlloc = NULL;
	}
	if(FreeLists){
		delete[] FreeLists;
		FreeLists = NULL;
	}
}

//分配指定大小内存
void*	CMemoryPool::allocate(size_t size)
{
	if(size > MaxBytes){
		return malloc(size);  
	}
	size_t index = FREELIST_INDEX(size); 
	Obj* node = FreeLists[index];
	if(node){//自由链表中有节点
		FreeLists[index]= node->next;
		return node;
	}
	return refill(ROUND_UP(size));
}
//填充一个自由链表、返回头
void*	CMemoryPool::refill(size_t size)
{
	size_t num = NumberOfAddNodeEachTime;
	char*  block = blockAlloc(size,num);
	Obj**  currPosLst = NULL;
	Obj*   nextNode = NULL;
	Obj*   currNode = NULL;
	if(num == 1){
		return block;
	}else{//将除第一个要返回的块外的所有块相连
		currPosLst = FreeLists + FREELIST_INDEX(size);
		*currPosLst = nextNode = reinterpret_cast<Obj*>(block + size);
		for(int i = 1;;++i){
			currNode = nextNode;
			nextNode = reinterpret_cast<Obj*>(reinterpret_cast<char*>(currNode) + size);
			if(num - 1 == i){
				nextNode->next = NULL; 
				break;
			}else{
				currNode->next = nextNode;
			}
		}
		return block;
	}
}
//分配内存块
char*	CMemoryPool::blockAlloc(size_t size, size_t& num)
{
	size_t	neededSize = size * num;
	size_t	totalSize = endPos - startPos;
	//情况一：如果内存池中有足够的空间、则直接将空间返回、头位置向后偏移

	if(totalSize >= neededSize){
		char* result = startPos;
		startPos += neededSize;
		return result;
	}else if(totalSize >= size){
	//情况二：如果空间足够一个或一个以上则直接分配、并修改num(实际分配的块数)
		num = totalSize / size;
		char* result = startPos;
		startPos += num * size;
		return result;
	}else{
	//情况三：内存池已经没有空间可以用来分配内存给自由链表了、则需要向系统申请空间
		size_t	allocSize = 2 * neededSize + ROUND_UP(heapSize >> 4);
		if(totalSize > 0){
		//如果内存池中还有剩余空间、一定足够一个或多个最小块
			Obj** node = FreeLists + FREELIST_INDEX(totalSize);
			reinterpret_cast<Obj*>(startPos)->next = *node;
			*node = reinterpret_cast<Obj*>(startPos);
		}

		startPos = (char*)malloc(allocSize);
		if(startPos == NULL){//分配失败、考虑从其他自由链表中取下一块内存(一个节点)用来应急
			Obj** currFreeLst = NULL;
			Obj*  node = NULL;
			for(size_t i = size + Align; i <= MaxBytes; i += Align){
				currFreeLst = FreeLists + FREELIST_INDEX(i);
				node = *currFreeLst;
				if(node){//该自由链表非空
					*currFreeLst = node->next;	//将原空闲链表头向后移动一个节点
					startPos = reinterpret_cast<char*>(node);
					endPos = reinterpret_cast<char*>(node + i);
					return blockAlloc(size,num);	//重新分配
				}
			}
			//执行到这、说明内存分配失败且没有足够大的空闲节点
			throw bad_alloc();
		}else{//分配成功、设置内存池指针、并且增加内存池总大小
			if(allocTime == maxAllocTime){
				if(realloc(ptrToHeadEachAlloc,maxAllocTime + 50) == NULL){
					throw bad_alloc();
				}
				maxAllocTime += 50;
			}
			ptrToHeadEachAlloc[allocTime++] = startPos;
			heapSize += allocSize;
			endPos = startPos +  allocSize;
			return blockAlloc(size,num);
		}
	}
}
//释放内存
void	CMemoryPool::deallocate(void* ptr, size_t size)
{
	if(size > MaxBytes){//若大小大于最大内存块、直接使用free释放
		free(ptr);
	}else{//将内存重新挂到对应的自由链表上
		reinterpret_cast<Obj*>(ptr)->next = FreeLists[FREELIST_INDEX(size)];
		FreeLists[FREELIST_INDEX(size)] = reinterpret_cast<Obj*>(ptr);
	}
}

简述一下它的实现步骤：

1、最开始的时候因为不知道要分配多大的空间、所以这是startPos – endPos为0、也就是内存池是空的。在分配时先到对应的free_list（申请空间与块大小最接近的链表）中寻找、是否有空间、如果没有再去内存池中寻找、然而这时内存池中也没有空间、那么就只能向系统申请空间了。如果成功：则进行相应的内存分配、并且将剩余部分内存（有一部分内存池自己留下了）分块“挂”在对应的free_list上。

2、如果在内存池向系统申请空间时失败了、那么为了“应急”就查找块大小比用户所申请的空间还大的链表中是否存在节点块、如果存在直接将它“拿下来”放到内存池中（也就是调整startPos和endPos）、再重新分配（这时内存池中已经有了空间所以就可以直接将它提供给用户了）。

有几点需要注意：

1、为什么Obj节点要使用共用体？

STL源码剖析：从第一个变量看、可将Obj视为一个指针指向相同形式的下一个Obj、从第二个变量看、可将Obj视为一个指针指向实际区块。

其意思就是：

struct Obj
{
    struct Obj* next;    //指向下一个节点（需要的）
    char*       data;    //指向实际内存块的地址
};

union Obj
{//共用一块空间4byte
    union Obj* next;    //当使用next时、Obj所代表的的就是指向下一个节点的指针
    char       data[1]; //当使用data时、Obj本身就是实际的快空间
};

这里再说下：柔性数组

struct node
{
    int     a;
    char    b[0];
};

这时node的大小是4byte、因为b数组0长度。但是b数组的地址在node地址的下面也就是:

node* n = (node*)malloc(sizeof(node) + 4);  这时连续多出来的4个字节的首地址就是b、还有:

char str[100];

node* p = (node*)str;字符串的前4个字节被a占用、后面的都被b所使用。

结构体柔性数组的地址是在整个node之后的、但是共用体柔性数组的地址就是node的首地址、柔性数组可表示可变长度的空间、所以上面Obj中的data就是为了适应不同的块大小。因为它可以表示可变长度。

2、块大小必须大于或等于一个指针的大小、也就是Align大于等于4。

那是因为每个节点其实就是分配的内存块的头部分的4个字节、如果内存块本身不能大于4那么也就不够将空间转换为Obj。

下面是根据内存池实现的分配器：

#pragma once
#include <new>
#include "MemoryPool.h"
/*模板不支持分离编译*/
template<class T>
class CMyAllocator : public CMemoryPool
{
private:
	typedef size_t		size_type;

public:
	CMyAllocator(unsigned nAlign = 8,unsigned nMaxBytes = 128,unsigned nNumberOfAddNodeEachTime = 20);
	~CMyAllocator(void);
public:
	T*			allocate();
	T*			allocate(size_type numOfT);
	void		deallocate(T* ptr);
	void		deallocate(T* ptr,size_type num);
	void		construct(T* ptr);
	void		construct(T* ptr,const T& value);
	void		destroy(T* ptr);
	void		destroy(T* first,T* last);
	void		close();
};

template<class T>
CMyAllocator<T>::CMyAllocator(unsigned nAlign,unsigned nMaxBytes,unsigned nNumberOfAddNodeEachTime)
	:CMemoryPool(nAlign,nMaxBytes,nNumberOfAddNodeEachTime)
{
}

template<class T>
CMyAllocator<T>::~CMyAllocator(void)
{
}

template<class T>
T*		CMyAllocator<T>::allocate()
{
	return static_cast<T*>(CMemoryPool::allocate(sizeof(T)));
}

template<class T>
T*		CMyAllocator<T>::allocate(size_type numOfT)
{
	if(numOfT == 0)
		return NULL;
	return static_cast<T*>(CMemoryPool::allocate(sizeof(T) * numOfT));
}

template<class T>
void	CMyAllocator<T>::deallocate(T* ptr)
{
	CMemoryPool::deallocate(ptr,sizeof(T));
}

template<class T>
void	CMyAllocator<T>::deallocate(T* ptr,size_type num)
{
	if(num == 0)
		return;
	CMemoryPool::deallocate(ptr,sizeof(T) * num);
}

template<class T>
void	CMyAllocator<T>::construct(T* ptr)
{
	new(ptr) T();
}

template<class T>
void	CMyAllocator<T>::construct(T* ptr,const T& value)
{
	new(ptr) T(value);
}

template<class T>
void	CMyAllocator<T>::destroy(T* ptr)
{
	ptr->~T();
}

template<typename T>
void	CMyAllocator<T>::destroy(T* first,T* last)
{
	for(;first != last;first++)
	{
		first->~T();
	}
}
template<typename T>
void	CMyAllocator<T>::close()
{
	CMemoryPool::close();
}

 

相关推荐

菜鸟笔记

热门教程