C++記憶體管理：簡易記憶體池的實現

2021 年 12 月 13 日
筆記
C/C++

什麼是記憶體池？

在上一篇 C++記憶體管理：new / delete 和 cookie 中談到，頻繁的調用 malloc 會影響運行效率以及產生額外的 cookie，而記憶體池的思想是預先申請一大塊記憶體，當有記憶體申請需求時，從記憶體池中取出一塊記憶體分配給目標對象。

它的實現過程為：

預先申請 chunk 大小的記憶體池，將記憶體池劃按照對象大小劃分成多個記憶體塊。
以鏈表的形式，即通過指針將記憶體塊相連，頭指針指向第一個空閑塊。
當有記憶體申請需求時，首先檢查頭指針是否指向空閑塊，如果是則將頭指針指向的第一個空閑塊分配出去（從鏈表移除），同時頭指針指向下一個空閑塊；若頭指針為空，說明當前記憶體池已分配完，需要重新申請新的記憶體池。
當有記憶體釋放需求時，將釋放的記憶體塊重新加入鏈表的表頭，調整頭指針指向新加入的空閑塊。這也意味著，如果申請了多個記憶體池，在記憶體釋放的過程中會慢慢的合併到一起。

初步實現

#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;  //頭指針
	static const int screenChunk;  //記憶體塊數量
private:
	int i;
};

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

void* Screen::operator new(size_t size){
	Screen *p;
	if (!freeStore) {  //記憶體池是空的
		size_t chunk = screenChunk * size;
		freeStore = p = reinterpret_cast<Screen*>(new char[chunk]);
		for (; p != &freeStore[screenChunk - 1]; ++p) {  //以鏈表的形式串聯起來
			p->next = p + 1;
		}
		p->next = 0;
	}
	p = freeStore;
	freeStore = freeStore->next;
	return p;
}

void Screen::operator delete(void *p, size_t){
	//將記憶體塊重新加入鏈表表頭，同時調整頭指針
	(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)  //輸出地址觀察
		cout << i << ": " << p[i] << endl;

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

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

在上面的程式碼中設置一個記憶體池為5個記憶體塊，當我們進行100次記憶體申請後，列印出前10個地址查看，可以看到前5個地址是連續的，後5個也是連續的，但中間由於重新申請了記憶體池，所以不是連續的。

但是這樣的方法還存在著問題，那就是引入了額外的指針記憶體消耗，接下來將使用embeded pointer進行改進。

使用嵌入指針改進

上面就使用到了嵌入指針，一個 AirplaneRep 對象的大小為 8 位元組，而一個 Airplane 的指針大小為 4 位元組或 8 位元組。在 32 位機器下，指針可以借用 AirplaneRep 對象所佔的 8 位元組記憶體空間中的前 4 個位元組，用來連接空閑的記憶體塊。而當記憶體塊需要被分配給對象時，此時它已從鏈表中移除，也就不需要指針來連接了。此時的 8 位元組記憶體空間由 AirplaneRep 佔據。當記憶體釋放時也是同理，由於 Rep 和 next 不會同時用到，所以 embeded pointer 的做法可以減少記憶體消耗。

參考：

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