内存池技术

为了学习池化技术以及后续自行实现一个仿tcmalloc的线程池，我们先浅浅的学习一下池化的概念，以及简单的实现一个定长的内存池。

一：池化技术

所谓“池化技术”，就是程序先向系统申请过量的资源，然后自己管理，以备不时之需。之所以要申请过量的资源，是因为每次申请该资源都有较大的开销，不如提前申请好了，这样使用时就会变得非常快捷，大大提高程序运行效率。在计算机中，有很多使用“池”这种技术的地方，除了内存池，还有连接池、线程池、对象池等。
以服务器上的线程池为例，它的主要思想是：先启动若干数量的线程，让它们处于睡眠状态，当接收到客户端的请求时，唤醒池中某个睡眠的线程，让它来处理客户端的请求，当处理完这个请求，线程又进入睡眠状态。

二：内存池

内存池是指程序预先从操作系统申请一块足够大内存，此后，当程序中需要申请内存的时候，不是直接向操作系统申请，而是直接从内存池中获取；同理，当程序释放内存的时候，并不真正将内存返回给操作系统，而是返回内存池。当程序退出(或者特定时间)时，内存池才将之前申请的内存真正释放。

三：内存池主要解决的问题

1. 效率问题
2. 内存碎片问题
   
   再需要补充说明的是内存碎片分为外碎片和内碎片，上面这张图描述的是外碎片问题。
   外部碎片是一些空闲的连续内存区域太小，这些内存空间不连续，以至于合计的内存足够，但是不能满足一些的内存分配申请需求。
   内部碎片是由于一些对齐的需求，导致分配出去的空间中一些内存无法被利用。

四：malloc

C/C++中我们要动态申请内存都是通过malloc去申请内存，但是我们要知道，实际我们不是直接去堆获取内存的，而malloc就是一个内存池。malloc() 相当于向操作系统“批发”了一块较大的内存空间，然后“零售”给程序用。当全部“售完”或程序有大量的内存需求时，再根据实际需求向操作系统“进货”。malloc的实现方式有很多种，一般不同编译器平台用的都是不同的。

五：牛刀小试-定长内存池

⭐️特点：

1. 性能达到极致
2. 不考虑内存碎片问题

作为程序员(C/C++)我们知道申请内存使用的是malloc，malloc其实就是一个通用的大众货，什么场景下都可以用，但是什么场景下都可以用就意味着什么场景下都不会有很高的性能，下面我们就先来设计一个定长内存池做个开胃菜。

#include
#include
#include
using std::cout;
using std::endl;

//条件编译，兼顾跨平台
#ifdef _WIN32
	#include
#else
	// linux
#endif

// 直接去堆上按页申请空间
inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)
{
#ifdef _WIN32
	void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage << 13, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
#else
	// linux下brk mmap等
#endif
	if (ptr == nullptr)
		throw std::bad_alloc();
	return ptr;
}


template<class T>
class ObjectPool
{
public:
	T* New()
	{
		// 定长 针对T对象大小
		T* obj = nullptr;
		//优先把还回来的内存块对象再次重复利用
		if (_freeList)
		{
			//自由链表头删
			void* next = *((void**)_freeList);
			obj = (T*)_freeList;
			_freeList = next;
		}
		else
		{
			// 当剩余的内存不够一个对象的大小时，就重新开大块空间，剩余的就不要了，内碎片
			if (_remainBytes < sizeof(T))
			{
				_remainBytes = 128 * 1024;
				_memory = (char*)SystemAlloc(_remainBytes >> 13);//直接从堆区获得内存
				if (_memory == nullptr)
				{
					throw std::bad_alloc();
				}
			}
			//memory里面来切一块
			obj = (T*)_memory;
			size_t objSize = sizeof(T) < sizeof(T*) ? sizeof(void*) : sizeof(T);//按情况给多大的大小
			_memory += objSize;
			_remainBytes -= objSize;
		}
		//定位new，对已存在的空间显式调用T的构造函数初始化
		new(obj)T;
		return obj;
	}

	void Delete(T* obj)
	{	
		//显式调用析构函数清理对象
		obj->~T();
		//头插
		*(void**)obj = _freeList;//int**都可以，给个二级指针就可以
		_freeList = obj;
	}
private:
	size_t _remainBytes = 0;   //大块内存在被切分过程中剩余字节数
	char* _memory = nullptr;   //指向大块内存的指针
	void* _freeList = nullptr; //还回过程中链接的自由链表指针
};

struct TreeNode
{
	int _val;
	TreeNode* _left;
	TreeNode* _right;
	TreeNode()
		:_val(0)
		, _left(nullptr)
		, _right(nullptr)
	{}
};

//测试代码
void TestObjectPool()
{
	// 申请释放的轮次
	const size_t Rounds = 3;
	// 每轮申请释放多少次
	const size_t N = 10000;
	size_t begin1 = clock();
	std::vector<TreeNode*> v1;
	v1.reserve(N);
	for (size_t j = 0; j < Rounds; ++j)
	{
		for (int i = 0; i < N; ++i)
		{
			v1.push_back(new TreeNode);
		}
		for (int i = 0; i < N; ++i)
		{
			delete v1[i];
		}
		v1.clear();
	}
	size_t end1 = clock();


	ObjectPool<TreeNode> TNPool;
	size_t begin2 = clock();
	std::vector<TreeNode*> v2;
	v2.reserve(N);
	for (size_t j = 0; j < Rounds; ++j)
	{
		for (int i = 0; i < N; ++i)
		{
			v2.push_back(TNPool.New());
		}
		for (int i = 0; i < N; ++i)
		{
			TNPool.Delete(v2[i]);
		}
		v2.clear();
	}
	size_t end2 = clock();
	cout << "new cost time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "object pool cost time:" << end2 - begin2 << endl;
}

测试结果：

new cost time:28
object pool cost time:14
请按任意键继续. . .

可以看出来，针对定长的空间申请，我们设计的定长内存池可以有明显的效率提升！

备注：如果大家对代码的细节有疑惑的地方，欢迎大家评论区提出，我们一起探讨！