C++手写内存池的案例详解

引言

使用new expression为类的多个实例分配动态内存时，cookie导致内存利用率可能不高，此时我们通过实现类的内存池来降低overhead。从不成熟到巧妙优化的内存池，得益于union的分时复用特性，内存利用率得到了提高。

原因

在实例化某个类的对象时（在heap而不是stack中），若不使用array new，则每次实例化时都要调用一次内存分配函数，类的每个实例在内存中都有上下两个cookie，从而降低了内存的利用率。然而，array new也有先天的缺陷，即只能调用默认无参构造函数，这对于很多没有提供无参构造函数的类来说是不合适的。

因此，我们可以对于一个没有实例化的类第一次实例化时，先分配一大块内存（内存池），这一大块内存记录在类中，只有上下两个cookie，能够容纳多个实例。后续实例化时，若内存池中还有剩余内存，则不必申请内存分配，只在内存池中分配。内存回收时，将实例所占用的内存回收到内存池中。若内存池中无内存，则再申请分配大块内存。

脱裤子放屁方案

我们以链表的形式组织内存池，内存池中每个一个链表是一个小桶，这个桶中装我们实例化的对象。

内存池链表的头结点记录在类中，即以class staic变量的形式存储。组织形式如下：

实现代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i):data(i){}
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    DemoClass *next;
    int data;
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存
        size_t pool_mem_bytes = size * POOL_SIZE;//内存池的字节大小 = 每个实例的大小（字节数）* 内存池中能容纳的最大实例数
        freeMemHeader = reinterpret_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]分配pool_mem_bytes个字节，因为每个char占用1个字节
        cout << "Info:向操作系统申请了" << pool_mem_bytes << "字节的内存。" << endl;
        for(int i = 0;i < POOL_SIZE - 1; ++i){//将内存池中POOL_SIZE个小块内存,串起来。
            freeMemHeader[i].next = &freeMemHeader[i + 1];
        }
        freeMemHeader[POOL_SIZE - 1].next = nullptr;
    }
    p = freeMemHeader;//取内存池（链表）的头部，分配给要实例化的对象
    cout << "Info:从内存池中取了" << size << "字节的内存。" << endl;
    freeMemHeader = freeMemHeader -> next;//从内存池中删去取出的那一小块地址，即更新内存池
    p -> next = nullptr;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(void* p){
    DemoClass* tmp = (DemoClass*) p;
    tmp -> next = freeMemHeader;
    freeMemHeader = tmp;
}

测试代码如下：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i);
        cout << "address of the ith demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

其结果如下：

可以看到每个DemoClass的实例大小为24字节，内存池一次从操作系统中申请了576个字节的内存，这些内存可以容纳24个实例。上面显示出了每个实例的内存地址，内存池中相邻实例的内存首地址之差为24，即实例的大小，证明了一个内存池的实例之间确实没有cookie。

当内存池中内存用完后，又向操作系统申请了576个字节的内存。

由此，只有每个内存池两侧有cookie，而内存池中的实例不存在cookie，相比于每次调用new expression实例化对象都有cookie，内存池的组织形式确实在形式上提高了内存利用率。

那么，有什么问题么？

sizeof(DemoClass)等于24：

1. int data数据域占4个字节
2. 两个构造函数一个析构函数各占4字节，共12字节
3. 额外的指针DemoClass*，在64位机器上，占8个字节

这样一个DemoClass的大小确实是24字节。wait，what?

我们为了解决cookie带来的内存浪费，引入了指针next，但却又引入了8个字节的overhead，脱裤子放屁，多此一举？

这样看来确实没有达到要求，但至少为我们提供了一种思路，不是么？

分时复用改进方案

首先我们先回忆下c++ 中的Union:

在任意时刻，联合中只能有一个数据成员可以有值。当给联合中某个成员赋值之后，该联合中的其它成员就变成未定义状态了。

结合我们之前不成熟的内存池，我们发现，当内存池中的桶还没有被分配给实例时，只有next域有用，而当桶被分配给实例后，next域就没什么用了；当桶被回收时，数据域变无用而next指针又需要用到。这不正是union的特性么？

看一下代码实现：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i, double p){
        data.num = i;
        data.price = p;
    }
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    struct DemoData{
        int num;
        double price;
    };
private:
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
    union {
        DemoClass *next;
        DemoData data;
    };

};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存
        size_t pool_mem_bytes = size * POOL_SIZE;//内存池的字节大小 = 每个实例的大小（字节数）* 内存池中能容纳的最大实例数
        freeMemHeader = reinterpret_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]分配pool_mem_bytes个字节，因为每个char占用1个字节
        cout << "Info:向操作系统申请了" << pool_mem_bytes << "字节的内存。" << endl;
        for(int i = 0;i < POOL_SIZE - 1; ++i){//将内存池中POOL_SIZE个小块内存,串起来。
            freeMemHeader[i].next = &freeMemHeader[i + 1];
        }
        freeMemHeader[POOL_SIZE - 1].next = nullptr;
    }
    p = freeMemHeader;//取内存池（链表）的头部，分配给要实例化的对象
    cout << "Info:从内存池中取了" << size << "字节的内存。" << endl;
    freeMemHeader = freeMemHeader -> next;//从内存池中删去取出的那一小块地址，即更新内存池
    p -> next = nullptr;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(void* p){
    DemoClass* tmp = (DemoClass*) p;
    tmp -> next = freeMemHeader;
    freeMemHeader = tmp;
}

对比前一种实现代码，只是构造函数、数据域和指针域的组织形式发生了变化：

• 由于数据域增加了price项，构造函数中也增加了对应的参数
• 数据域被集成定义成一个类自定义struct类型
• 数据域和指针域被组织为union

测试代码依旧：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i, i * i);
        cout << "address of the " << i << "th demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

结果：

可以看到每个DemoClass的实例大小为24字节，一个内存池的实例之间没有cookie。

分析一下sizeof(DemoClass)等于24的缘由：

• data数据域占12个字节（int 4字节、double 8字节）。
• 两个构造函数一个析构函数各占4字节，共12字节。
• 指针DemoClass，在64位机器上，占8个字节，但由于和数据域使用了union，data数据域12个字节中的前8个字节在适当的时机被看作DemoClass，而不占用额外空间，消除了overhead。

这样一个DemoClass的大小确实是24字节。利用union的分时复用特性，我们消除了初步方案中指针带来的脱裤子放屁效果。

另外的思考

细心的读者可能会发现，前面的那两种方案都有共同的小缺陷，即当程序一直实例化而不析构时，内存池会向操作系统申请多次大块内存，而当这些对象一起回收时，内存池中的剩余桶数会远大于设定的POOL_SIZE的大小，这个峰值多大取决于类实例化和回收的时机。

另外，内存池中的内存暂时不会回收给操作系统，峰值很大可能会对内存分配带来一些影响，不过这却不属于内存泄漏。在以后的文章中，我们可能会讨论一些性能更好的内存分配方案。

参考资料

[1] Effective C++ 3/e

[2] C++ Primer 5/e

[3] 侯捷老师的内存管理课程

到此这篇关于C++手写内存池的文章就介绍到这了,更多相关C++内存池内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！