C++内存池的设计与实现

一、概述

在 C/C++ 中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配?分配失败了怎么办? 如何管理自身的内存使用情况? 等等一系列问题。在一个高可用的软件中，如果我们仅仅单纯的向操作系统去申请内存，当出现内存不足时就退出软件，是明显不合理的。正确的思路应该是在内存不足的时，考虑如何管理并优化自身已经使用的内存，这样才能使得软件变得更加可用。本次项目我们将实现一个内存池，并使用一个栈结构来测试我们的内存池提供的分配性能。最终，我们要实现的内存池在栈结构中的性能，要远高于使用 std::allocator 和 std::vector，如下图所示：

项目涉及的知识点

C++ 中的内存分配器 std::allocator

内存池技术

手动实现模板链式栈
链式栈和列表栈的性能比较

内存池简介

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。

二、主函数设计

我们要设计实现一个高性能的内存池，那么自然避免不了需要对比已有的内存，而比较内存池对内存的分配性能，就需要实现一个需要对内存进行动态分配的结构（比如：链表栈），为此，可以写出如下的代码：

 

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#include    // std::cout, std::endl#include     // assert()#include       // clock()#include      // std::vector
#include "MemoryPool.hpp"  // MemoryPool#include "StackAlloc.hpp"  // StackAlloc
// 插入元素个数#define ELEMS 10000000// 重复次数#define REPS 100
int main(){    clock_t start;
    // 使用 STL 默认分配器    StackAlloc<int, std::allocator<int> > 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) << "

";
    // 使用内存池    StackAlloc<int, MemoryPool<int> > 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) << "

";
    return 0;}

 

在上面的两段代码中，StackAlloc 是一个链表栈，接受两个模板参数，第一个参数是栈中的元素类型，第二个参数就是栈使用的内存分配器。

因此，这个内存分配器的模板参数就是整个比较过程中唯一的变量，使用默认分配器的模板参数为 std::allocator，而使用内存池的模板参数为 MemoryPool。

std::allocator 是 C++标准库中提供的默认分配器，他的特点就在于我们在 使用 new 来申请内存构造新对象的时候，势必要调用类对象的默认构造函数，而使用 std::allocator 则可以将内存分配和对象的构造这两部分逻辑给分离开来，使得分配的内存是原始、未构造的。

下面我们来实现这个链表栈。

三、模板链表栈

栈的结构非常的简单，没有什么复杂的逻辑操作，其成员函数只需要考虑两个基本的操作：入栈、出栈。为了操作上的方便，我们可能还需要这样一些方法：判断栈是否空、清空栈、获得栈顶元素。

 

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#include template <typename T>struct StackNode_{  T data;  StackNode_* prev;};// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器, 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器template <typename T, typename Alloc = std::allocator >class StackAlloc{  public:    // 使用 typedef 简化类型名    typedef StackNode_ Node;    typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
    // 默认构造    StackAlloc() { head_ = 0; }    // 默认析构    ~StackAlloc() { clear(); }
    // 当栈中元素为空时返回 true    bool empty() {return (head_ == 0);}
    // 释放栈中元素的所有内存    void clear();
    // 压栈    void push(T element);
    // 出栈    T pop();
    // 返回栈顶元素    T top() { return (head_->data); }
  private:    //     allocator allocator_;    // 栈顶    Node* head_;};

 

 

简单的逻辑诸如构造、析构、判断栈是否空、返回栈顶元素的逻辑都非常简单，直接在上面的定义中实现了，下面我们来实现 clear(), push() 和 pop() 这三个重要的逻辑：

 

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// 释放栈中元素的所有内存void clear() {  Node* curr = head_;  // 依次出栈  while (curr != 0)  {    Node* tmp = curr->prev;    // 先析构, 再回收内存    allocator_.destroy(curr);    allocator_.deallocate(curr, 1);    curr = tmp;  }  head_ = 0;}// 入栈void push(T element) {  // 为一个节点分配内存  Node* newNode = allocator_.allocate(1);  // 调用节点的构造函数  allocator_.construct(newNode, Node());
  // 入栈操作  newNode->data = element;  newNode->prev = head_;  head_ = newNode;}
// 出栈T pop() {  // 出栈操作 返回出栈元素  T result = head_->data;  Node* tmp = head_->prev;  allocator_.destroy(head_);  allocator_.deallocate(head_, 1);  head_ = tmp;  return result;}

 

至此，我们完成了整个模板链表栈，现在我们可以先注释掉 main() 函数中使用内存池部分的代码来测试这个连表栈的内存分配情况，我们就能够得到这样的结果：

在使用 std::allocator 的默认内存分配器中，在

#define ELEMS 10000000
#define REPS 100

的条件下，总共花费了近一分钟的时间。

如果觉得花费的时间较长，不愿等待，则你尝试可以减小这两个值

总结

本节我们实现了一个用于测试性能比较的模板链表栈，目前的代码如下。在下一节中，我们开始详细实现我们的高性能内存池。

 

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// StackAlloc.hpp
#ifndef STACK_ALLOC_H#define STACK_ALLOC_H
#include 
template <typename T>struct StackNode_{  T data;  StackNode_* prev;};
// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器,// 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器template <class T, class Alloc = std::allocator >class StackAlloc{  public:    // 使用 typedef 简化类型名    typedef StackNode_ Node;    typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
    // 默认构造    StackAlloc() { head_ = 0; }    // 默认析构    ~StackAlloc() { clear(); }
    // 当栈中元素为空时返回 true    bool empty() {return (head_ == 0);}
    // 释放栈中元素的所有内存    void clear() {      Node* curr = head_;      while (curr != 0)      {        Node* tmp = curr->prev;        allocator_.destroy(curr);        allocator_.deallocate(curr, 1);        curr = tmp;      }      head_ = 0;    }
    // 入栈    void push(T element) {      // 为一个节点分配内存      Node* newNode = allocator_.allocate(1);      // 调用节点的构造函数      allocator_.construct(newNode, Node());
      // 入栈操作      newNode->data = element;      newNode->prev = head_;      head_ = newNode;    }
    // 出栈    T pop() {      // 出栈操作 返回出栈结果      T result = head_->data;      Node* tmp = head_->prev;      allocator_.destroy(head_);      allocator_.deallocate(head_, 1);      head_ = tmp;      return result;    }
    // 返回栈顶元素    T top() { return (head_->data); }
  private:    allocator allocator_;    Node* head_;};
#endif // STACK_ALLOC_H

 

 

 

 

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// main.cpp
#include #include #include #include 
// #include "MemoryPool.hpp"#include "StackAlloc.hpp"
// 根据电脑性能调整这些值// 插入元素个数#define ELEMS 25000000// 重复次数#define REPS 50
int main(){    clock_t start;
    // 使用默认分配器    StackAlloc<int, std::allocator<int> > 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) << "

";
    // 使用内存池    // 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) << "

";
    return 0;}

 

二、设计内存池

在上一节实验中，我们在模板链表栈中使用了默认构造器来管理栈操作中的元素内存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()这些关键性的接口。所以为了让代码直接可用，我们同样应该在内存池中设计同样的接口：

 

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#ifndef MEMORY_POOL_HPP#define MEMORY_POOL_HPP
#include #include 
template <typename T, size_t BlockSize = 4096>class MemoryPool{  public:    // 使用 typedef 简化类型书写    typedef T*              pointer;
    // 定义 rebind::other 接口    template <typename U> struct rebind {      typedef MemoryPool other;    };
    // 默认构造, 初始化所有的槽指针    // C++11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常    MemoryPool() noexcept {      currentBlock_ = nullptr;      currentSlot_ = nullptr;      lastSlot_ = nullptr;      freeSlots_ = nullptr;    }
    // 销毁一个现有的内存池    ~MemoryPool() noexcept;
    // 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略    pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0);
    // 销毁指针 p 指向的内存区块    void deallocate(pointer p, size_t n = 1);
    // 调用构造函数    template <typename U, typename... Args>    void construct(U* p, Args&&... args);
    // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数    template <typename U>    void destroy(U* p) {      p->~U();    }
  private:    // 用于存储内存池中的对象槽,     // 要么被实例化为一个存放对象的槽,     // 要么被实例化为一个指向存放对象槽的槽指针    union Slot_ {      T element;      Slot_* next;    };
    // 数据指针    typedef char* data_pointer_;    // 对象槽    typedef Slot_ slot_type_;    // 对象槽指针    typedef Slot_* slot_pointer_;
    // 指向当前内存区块    slot_pointer_ currentBlock_;    // 指向当前内存区块的一个对象槽    slot_pointer_ currentSlot_;    // 指向当前内存区块的最后一个对象槽    slot_pointer_ lastSlot_;    // 指向当前内存区块中的空闲对象槽    slot_pointer_ freeSlots_;
    // 检查定义的内存池大小是否过小    static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");};
#endif // MEMORY_POOL_HPP

 

在上面的类设计中可以看到，在这个内存池中，其实是使用链表来管理整个内存池的内存区块的。内存池首先会定义固定大小的基本内存区块(Block)，然后在其中定义了一个可以实例化为存放对象内存槽的对象槽（Slot_）和对象槽指针的一个联合。然后在区块中，定义了四个关键性质的指针，它们的作用分别是：

currentBlock_: 指向当前内存区块的指针

currentSlot_: 指向当前内存区块中的对象槽

lastSlot_: 指向当前内存区块中的最后一个对象槽

freeSlots_: 指向当前内存区块中所有空闲的对象槽

梳理好整个内存池的设计结构之后，我们就可以开始实现关键性的逻辑了。

三、实现

MemoryPool::construct() 实现

MemoryPool::construct() 的逻辑是最简单的，我们需要实现的，仅仅只是调用信件对象的构造函数即可，因此：

 

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// 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板template <typename U, typename... Args>void construct(U* p, Args&&... args) {    new (p) U (std::forward(args)...);}

 

MemoryPool::deallocate() 实现

MemoryPool::deallocate() 是在对象槽中的对象被析构后才会被调用的，主要目的是销毁内存槽。其逻辑也不复杂：

 

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// 销毁指针 p 指向的内存区块void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {  if (p != nullptr) {    // reinterpret_cast 是强制类型转换符    // 要访问 next 必须强制将 p 转成 slot_pointer_    reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;    freeSlots_ = reinterpret_cast(p);  }}

 

MemoryPool::~MemoryPool() 实现

析构函数负责销毁整个内存池，因此我们需要逐个删除掉最初向操作系统申请的内存块：

 

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// 销毁一个现有的内存池~MemoryPool() noexcept {  // 循环销毁内存池中分配的内存区块  slot_pointer_ curr = currentBlock_;  while (curr != nullptr) {    slot_pointer_ prev = curr->next;    operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));    curr = prev;  }}

 

MemoryPool::allocate() 实现

MemoryPool::allocate() 毫无疑问是整个内存池的关键所在，但实际上理清了整个内存池的设计之后，其实现并不复杂。具体实现如下：

 

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// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {  // 如果有空闲的对象槽，那么直接将空闲区域交付出去  if (freeSlots_ != nullptr) {    pointer result = reinterpret_cast(freeSlots_);    freeSlots_ = freeSlots_->next;    return result;  } else {    // 如果对象槽不够用了，则分配一个新的内存区块    if (currentSlot_ >= lastSlot_) {      // 分配一个新的内存区块，并指向前一个内存区块      data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast(operator new(BlockSize));      reinterpret_cast(newBlock)->next = currentBlock_;      currentBlock_ = reinterpret_cast(newBlock);      // 填补整个区块来满足元素内存区域的对齐要求      data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);      uintptr_t result = reinterpret_cast<uintptr_t>(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、与 std::vector 的性能对比

我们知道，对于栈来说，链栈其实并不是最好的实现方式，因为这种结构的栈不可避免的会涉及到指针相关的操作，同时，还会消耗一定量的空间来存放节点之间的指针。事实上，我们可以使用 std::vector 中的 push_back() 和 pop_back() 这两个操作来模拟一个栈，我们不妨来对比一下这个 std::vector 与我们所实现的内存池在性能上谁高谁低，我们在 主函数中加入如下代码：

 

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// 比较内存池和 std::vector 之间的性能    std::vector<int> 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) << "

";

 

这时候，我们重新编译代码，就能够看出这里面的差距了：

首先是使用默认分配器的链表栈速度最慢，其次是使用 std::vector 模拟的栈结构，在链表栈的基础上大幅度削减了时间。

std::vector 的实现方式其实和内存池较为类似，在 std::vector 空间不够用时，会抛弃现在的内存区域重新申请一块更大的区域，并将现在内存区域中的数据整体拷贝一份到新区域中。

最后，对于我们实现的内存池，消耗的时间最少，即内存分配性能最佳，完成了本项目。

总结

本节中，我们实现了我们上节实验中未实现的内存池，完成了整个项目的目标。 这个内存池不仅精简而且高效，整个内存池的完整代码如下：

 

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#ifndef MEMORY_POOL_HPP#define MEMORY_POOL_HPP
#include #include 
template <typename T, size_t BlockSize = 4096>class MemoryPool{  public:    // 使用 typedef 简化类型书写    typedef T*              pointer;
    // 定义 rebind::other 接口    template <typename U> struct rebind {      typedef MemoryPool other;    };
    // 默认构造    // C++11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常    MemoryPool() noexcept {      currentBlock_ = nullptr;      currentSlot_ = nullptr;      lastSlot_ = nullptr;      freeSlots_ = nullptr;    }
    // 销毁一个现有的内存池    ~MemoryPool() noexcept {      // 循环销毁内存池中分配的内存区块      slot_pointer_ curr = currentBlock_;      while (curr != nullptr) {        slot_pointer_ prev = curr->next;        operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));        curr = prev;      }    }
    // 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略    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_) {          // 分配一个内存区块          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<uintptr_t>(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_++);      }    }
    // 销毁指针 p 指向的内存区块    void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {      if (p != nullptr) {        reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;        freeSlots_ = reinterpret_cast(p);      }    }
    // 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板    template <typename U, typename... Args>    void construct(U* p, Args&&... args) {      new (p) U (std::forward(args)...);    }
    // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数    template <typename U>    void destroy(U* p) {      p->~U();    }
  private:    // 用于存储内存池中的对象槽    union Slot_ {      T element;      Slot_* next;    };
    // 数据指针    typedef char* data_pointer_;    // 对象槽    typedef Slot_ slot_type_;    // 对象槽指针    typedef Slot_* slot_pointer_;
    // 指向当前内存区块    slot_pointer_ currentBlock_;    // 指向当前内存区块的一个对象槽    slot_pointer_ currentSlot_;    // 指向当前内存区块的最后一个对象槽    slot_pointer_ lastSlot_;    // 指向当前内存区块中的空闲对象槽    slot_pointer_ freeSlots_;    // 检查定义的内存池大小是否过小    static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");};
#endif // MEMORY_POOL_HPP

 

实验来源：shiyanlou.com/courses/r

项目来源：github.com/cacay/Memory

　　审核编辑：汤梓红