C++内存管理：简易内存池的实现

2021 年 12 月 13 日
筆記
C/C++

什么是内存池？

在上一篇 C++内存管理：new / delete 和 cookie 中谈到，频繁的调用 malloc 会影响运行效率以及产生额外的 cookie，而内存池的思想是预先申请一大块内存，当有内存申请需求时，从内存池中取出一块内存分配给目标对象。

它的实现过程为：

预先申请 chunk 大小的内存池，将内存池划按照对象大小划分成多个内存块。
以链表的形式，即通过指针将内存块相连，头指针指向第一个空闲块。
当有内存申请需求时，首先检查头指针是否指向空闲块，如果是则将头指针指向的第一个空闲块分配出去（从链表移除），同时头指针指向下一个空闲块；若头指针为空，说明当前内存池已分配完，需要重新申请新的内存池。
当有内存释放需求时，将释放的内存块重新加入链表的表头，调整头指针指向新加入的空闲块。这也意味着，如果申请了多个内存池，在内存释放的过程中会慢慢的合并到一起。

初步实现

#include <iostream>
using namespace std;


class Screen {
public:
	Screen(int x) : i(x) { };
	int get() { return i; }

	void* operator new(size_t);
	void  operator delete(void*, size_t);

private:
	Screen* next;
	static Screen* freeStore;  //头指针
	static const int screenChunk;  //内存块数量
private:
	int i;
};

Screen* Screen::freeStore = 0;
const int Screen::screenChunk = 5;

void* Screen::operator new(size_t size){
	Screen *p;
	if (!freeStore) {  //内存池是空的
		size_t chunk = screenChunk * size;
		freeStore = p = reinterpret_cast<Screen*>(new char[chunk]);
		for (; p != &freeStore[screenChunk - 1]; ++p) {  //以链表的形式串联起来
			p->next = p + 1;
		}
		p->next = 0;
	}
	p = freeStore;
	freeStore = freeStore->next;
	return p;
}

void Screen::operator delete(void *p, size_t){
	//将内存块重新加入链表表头，同时调整头指针
	(static_cast<Screen*>(p))->next = freeStore;
	freeStore = static_cast<Screen*>(p);
}

//-------------
void test(){

	cout << "Size: " << sizeof(Screen) << endl;	

	size_t const N = 100;
	Screen* p[N];

	for (int i = 0; i < N; ++i)
		p[i] = new Screen(i);

	for (int i = 0; i < 10; ++i)  //输出地址观察
		cout << i << ": " << p[i] << endl;

	for (int i = 0; i < N; ++i)
		delete p[i];
}

int main(){
	test();
	return 0;
}

在上面的代码中设置一个内存池为5个内存块，当我们进行100次内存申请后，打印出前10个地址查看，可以看到前5个地址是连续的，后5个也是连续的，但中间由于重新申请了内存池，所以不是连续的。

但是这样的方法还存在着问题，那就是引入了额外的指针内存消耗，接下来将使用embeded pointer进行改进。

使用嵌入指针改进

上面就使用到了嵌入指针，一个 AirplaneRep 对象的大小为 8 字节，而一个 Airplane 的指针大小为 4 字节或 8 字节。在 32 位机器下，指针可以借用 AirplaneRep 对象所占的 8 字节内存空间中的前 4 个字节，用来连接空闲的内存块。而当内存块需要被分配给对象时，此时它已从链表中移除，也就不需要指针来连接了。此时的 8 字节内存空间由 AirplaneRep 占据。当内存释放时也是同理，由于 Rep 和 next 不会同时用到，所以 embeded pointer 的做法可以减少内存消耗。

参考：

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