最简单的内存池-原理与实现

内存池的主要作用，简单地说来，便是提高内存的使用效率。堆内存的申请与释放（new/delete及malloc/free），涉及复杂的内存分配算法，相比由简单CPU指令支持的栈内存的申请与释放，则是慢上了数量级。另一方面，栈的大小是有限制的，在需要大量内存的操作时，堆的使用是必要的。当然，频繁地申请与释放堆内存，效率是很低的，这也就是内存池出现的原因。

类似std::vector容器，在向vector里添加一个元素之前，该容器往往提前申请了一大块内存，实际添加时就只需要拿出其中一小块来使用，不用每添加一个都使用new一次。内存池所做的，也就是一次申请一块大内存，然后再小块小块地拿出来用：一次申请NM大小的内存，必然比N次申请M大小的内存要快，这就是内存池高效的简单解释。

一般来说，内存池可以按两种维度划分：单线程与多线程，可变大小和固定大小。其中最简单的单线程固定大小的内存池。这类内存池只考虑单线程的程序，分配与回收的对象都是固定大小的。这个简单的内存池类模板声明如下：

template class SimpleMemPool { private: #pragma pack(push, 1) union ObjectChunk { ObjectChunk * next; char buf[sizeof(T)]; }; struct MemBlock { MemBlock* next; ObjectChunk chunks[BaseSize]; }; #pragma pack(pop) SimpleMemPool(const SimpleMemPool &) ; MemBlock * head; ObjectChunk * freeChunk; public: SimpleMemPool(); ~SimpleMemPool(); T* New(); void Delete(T* t); };

该内存池类模板实例化之后，产生一个只用于申请对象T的内存池。创建对象的方法是T* New()，删除对象的方法是void Delete(T *)。类模板中还定义了两个数据结构及两个成员变量，还禁止了内存池的拷贝构造。对于这种内存池，它有两层的链表结构：第一层是内存块链表（MemBlock），由成员head为头，把内存池中申请的大块内存串接起来。MemBlock结构的next指针指向了下一个内存块，chunks则为BaseSize个ObjectChunk对象。该链表的每个结点都是内存池进行一次申请得到的大内存块；第二层为自由内存块链表（ObjectChunk），由freeChunk为头指针串着，该链表的每一个结点，都是一个可以使用的小内存块。大体结构如下图（BaseSize为5）所示：

 

 

 

当用户向内存池申请一个对象T时，内存池会检查freeChunk是否为NULL。不为NULL时，表示还有自由的小内存块（ObjectChunk）可供使用，将它返回给用户，并将freeChunk移到下一个自由内存块；若freeChunk为NULL，则内存池需要使用new/malloc从申请一块大内存（MemBlock），然后将其中的BaseSize个ObjectChunk都串连上形成链表，再将freeChunk做为头指针。这时freeChunk不为NULL了，可以提供给用户一块小内存了（具体即是，取出链表的首结点）。

template<> class SimpleMemPool { T* New() { if (!freeChunk) { MemBlock * t = new MemBlock; t->next = head; head = t; for(unsigned int i=0; ichunks[i].next = & (head->chunks[i+1]); } head->chunks[BaseSize-1].next = 0; freeChunk = & (head->chunks[0]); } ObjectChunk * t = freeChunk; freeChunk = freeChunk->next; return reinterpret_cast(t); } };

 

当用户不再使用某块小内存时，需要调用Delete方法。此时，内存池把用户不用的小块内存，重新连接到以freeChunk为首指针的链表中就行了（将结点插入链表的首位置）。代码如下：

 

template<> class SimpleMemPool { void Delete(T* t) { ObjectChunk * chunk = reinterpret_cast(t); chunk->next= freeChunk; freeChunk = chunk; } };

 

当内存池不在使用时，析构释放全部内存，此时只需要释放head为首指针的链表的每个结点（遍历删除）。代码如下：

template<> class SimpleMemPool() { ~SimpleMemPool() { while(head) { MemBlock * t = head; head = head->next; delete t; } } }

实现中，需要注意的是ObjectChunk的双重身份：当它是自由内存块，还未分配给用户时，它是ObjectChunk的数据结构，包含一个链表指针，用于串连；当它分配给用户时，它退出了自由内存块链表，它被强制转换为T类型（代码中用了reinterpret_cast操作符号强制转换），此时便不再有ObjectChunk里的数据，不再需要链表指针。所以ObjectChunk结构的大小，应该大于或等于T类型的大小（出现大于情况，是因为ObjectChunk最小也必须包含一个指针大小，而T类型却小于一个指针大小）。#pragma pack指令的使用，便是尽量使ObjectChunk的大小符合我们的预期（MemBlock也一样）当用户不再使用T类型对象时，便调用了Delete(T*)，此时，T类型里的数据内容都不再重要了，强制变为ObjectChunk后，把其内容覆盖，使用前几个字节作为指针，又加入自由内存链表中。

 

总体说来，这个简单的内存池，仅仅实现了一次（向系统）申请，多次分配（给用户）的功能。对于大内存块（MemBlock），采取的方法是只申不放，仅在内存池销毁时才一次性全部释放。这样的策略仅仅适用于内存申请与释放频繁，且内存充足的情况。而多线程，可变大小的情况，也需要更多考虑。

 

 

附完整代码：

 template class SimpleMemPool { private: #pragma pack(push, 1) union ObjectChunk { ObjectChunk * next; char buf[ sizeof(T)]; }; struct MemBlock { MemBlock* next; ObjectChunk chunks[BaseSize]; }; #pragma pack(pop) SimpleMemPool(const SimpleMemPool &) {} MemBlock * head; ObjectChunk * freeChunk; public: SimpleMemPool() : head(0), freeChunk(0) { } ~SimpleMemPool() { while(head) { MemBlock * t = head; head = head->next; delete t; } } T* New() { if (!freeChunk) { MemBlock * t = new MemBlock; t->next = head; head = t; for(unsigned int i=0; ichunks[i].next = & (head->chunks[i+1]); } head->chunks[BaseSize-1].next = 0; freeChunk = & (head->chunks[0]); } ObjectChunk * t = freeChunk; freeChunk = freeChunk->next; return reinterpret_cast(t); } void Delete(T* t) { ObjectChunk * chunk = reinterpret_cast(t); chunk->next= freeChunk; freeChunk = chunk; } };