手写内存池以及代码分析【C语言】

内存池是对堆进行管理

当进程执行时，操作系统会分出0~4G的虚拟内存空间给进程，程序员可以自行管理（分配、释放）的部分就是mmap映射区、heap堆区，而内存池管理的部分就是用户进程的堆区。

为什么要用内存池？

内存池就是用来避免堆区出现碎片化

• 避免频繁地分配和释放内存（防止堆区出现碎片化）

当客户端连接上服务端的时候，服务端会准备一部分的堆区用来做消息保留。当一个连接成功之后，服务器会在堆区为其分配一段属于这个连接的内存，当连接关闭之后，所分配的内存也随之释放。但是当连接量较大且过于频繁时，不可避免地对内存进行频繁的分配和释放。这会导致堆区出现小窗口，也就是堆区碎片化。

堆区出现碎片化会怎么样？

• 长时间工作会出现不可查的BUG
• 无法分配较大且整块的内存，malloc会返回NULL

内存池设计

场景：在一段很干净的堆区上，如何实现能避免内存碎片化的内存池？

第一：使用链表管理内存

使用链表将分配出来的一块一块内存在堆区连接起来，设置flag(是否被使用)，让链表节点上的各段内存慢慢各自扩张。

单独使用链表会出现什么问题？

• 内存块会被划分得越来越小，链表会变得越来越长，知道不能划分出更大得内存。

所以加入了固定内存的想法的设计

对于分配小段内存时，将小段内存进行固定划分，如下

1. 16bytes
2. 32bytes
3. 64bytes
4. 128bytes
5. 256byts
6. 512bytes

但是不同的固定小内存的分配的话就会出现以下问题:

1. 查找慢
   • 分配时查找
   • 释放时候查找
2. 块与块之间也会出现间隙
   • 无法将块合并
   • 小块回收麻烦

所以最后得出自定义固定小块和随机大块的内存池模型

内存池

内存池工作流程

内存池结构体

//内存池
struct mp_pool_s{

	size_t max;					
	
	struct mp_node_s *current;		//当前指向的小块内存区，链表结构
	struct mp_large_s *large; 		//大块内存

	struct mp_node_s *head[0];		//小块内存的头部
};

小块内存用单向链表串起来

//小块内存
struct mp_node_s{

	unsigned char *last;    //当前的
	unsigned char *end;   //最后

	struct mp_node_s *next; //下一个4k
	size_t failed;
	
};

大块内存也是用单向链表串起来

//大块内存
struct mp_large_s{

	struct mp_large_s *next;
	void *alloc;
	
};

API

创建内存池

1. 确定以size大小作为小块内存的固定大小
2. 一来是last指向所在节点的第一个字节
3. end指向最后

//创建内存池
struct mp_pool_s *mp_create_pool(int size){
	
	struct mp_pool_s *pool;
	
	int ret = posix_memalign((void**)&pool, ALIGNMENT, size + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s));
	if(ret)return NULL;

	pool->max = (size<MP_MAX_ALLOC_FORM_POOL) ? size : MP_MAX_ALLOC_FORM_POOL;
	
	pool->current = pool->head;
	
	pool->head->last = (unsigned char*)pool + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s);
	pool->head->end = pool->head->last + size;
	pool->head->failed = 0;
	
	pool->large = NULL;

	return pool;
}

销毁内存池

1. 先释放大块内存，遍历链表
2. 再释放小块，遍历链表

//销毁内存池
void mp_destroy_pool(struct mp_pool_s *pool){
	
	struct mp_large_s *large;
	
	for(large = pool->large; large!=NULL; large = large->next){ //释放大块
		if(large->alloc)free(large->alloc);
	}
	
	struct mp_node_s *h = pool->head->next;
	
	while(h){	//释放小块
		struct mp_pool_s *next = h->next;
		free(h);
		h = h->next;
	}

	free(pool);
}

重置内存池

1. 先释放大块内存
2. 再将小块内存的last指向内存的第一个位置

//重置内存池
void mp_reset_pool(struct mp_pool_s *pool){

	struct mp_node_s *head;
	struct mp_large_s *large;

	for(large = pool->large; large; large=large->next){ //将释放大块
		if(large->alloc)free(large->alloc);
	}

	pool->large = NULL;

	for(head = pool->head; head; head = head->next){	//将各个节点的头位置指向刚创建的位置
		head->last = (unsigned char*)head + sizeof(struct mp_node_s);
	}
}

给内存池分配一个小块内存

1. 首先分配出一整块（大小为psize）小块内存，并创建节点指向这块内存
2. 内存对齐，利用尾插法插入链表最后的位置
3. 重新调整内存池的current的指向

/*分配psize大小的小块内存，开始指向的位置head->last = memblk + size，链表尾插法*/
static void *mp_alloc_block(struct mp_pool_s *pool, size_t size){

	unsigned char *memblk;
	struct mp_node_s *head = pool->head;
	size_t psize = (size_t)(head->end - (unsigned char*)head);  //psize == 创建内存池时输入的参数
	
	int ret = posix_memalign((void*)&memblk, ALIGNMENT, psize);  //分配内存     24字节对齐
	if(ret)return NULL;

	struct mp_node_s *p, *new_node, *current;
	new_node = (struct mp_node_s*)memblk;

	new_node->end = memblk + psize;
	new_node->next = NULL;
	new_node->failed = 0;

	memblk += sizeof(struct mp_node_s); 				//跳过节点结构体做内存对齐
	memblk = mp_align_ptr(memblk, ALIGNMENT);			//内存对齐
	new_node->last = memblk + size;

	current = pool->current;

	for(p = current; p->next; p = p->next){ 			//尾插法
		if(p->failed++>4)current = p->next;
	}

	p->next = new_node;							

	pool->current = current ? current : new_node;

	return memblk;
}

在小块内存中取出一块size大小的内存（不做字节对齐）

1. 首先获取当前内存池所指向的小块内存
2. 跟着一个节点一个节点往下面查找小块内存中是否有足够size大小的内存分配
3. 如果有就将内存做字节对齐并返回
4. 如果没有合适的小块内存则分配多一整块小块内存
5. 如果小块内存分配失败，则以创建大块内存的方式对size分配

//在小块内存区上取一块size大小的内存
void *mp_nalloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size){

	unsigned char *m;
	struct mp_node_s  *p;

	if(size<=pool->max){
		p = pool->current;  //当前小块指向

		do{
			m = p->last;		
			if((size_t)(p->end - m)>=size){ //如果当前节点剩余内存比size大的话就在该节点分配
				p->last = m + size;
				return m;
			}
			p = p->last;
			//如果没有一个节的剩余大小大于size就重新分配一个block
		}while(p);

		return mp_alloc_block(pool, size);
	}
	//如果这个size超过了小块内存的限制，就以大块内容分配方式来分配
	return mp_alloc_large(pool, size);
}

在小块内存中取出一块size大小的内存（做字节对齐）

//在小块内存区上取一块size大小的内存  字节对齐
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size){

	unsigned char *memblk;
	struct mp_pool_s *p;

	if(size<=pool->max){
		p = pool->current; 		//当前小块指向

		do{
			memblk = mp_align_ptr(p->last, ALIGNMENT);//做字节对齐
			if((size_t)(p->end-memblk) >= size){  //如果当前节点剩余内存比size大的话就在该节点分配
				p->last = memblk + size;
				return memblk;
			}
			p = p->next;			
		}while(p);
		//如果没有一个节的剩余大小大于size就重新分配一个block
		return mp_alloc_block(pool, size);
	}
	//如果这个size超过了小块内存的限制，就以大块内容分配方式来分配
	return mp_alloc_large(pool, size);
}

在小块内存中取出一段size大小的内存并初始化为0

//分配内存且初始化为0
void *mp_calloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size){

	void *p = mp_alloc(pool, size);
	if(p){
		memset(p, 0 , size);
	}
	return p;
}

分配size大小的大块内存（大块内存的节点放在小块内存里）

1. 首先malloc得到内存首地址，然后将大内存挂到内存池上，如果大块内存的结构体没有创建就在小块内存中创建
2. 创建好之后挂接好并返回大块内存首地址

//创建大块内存
static void *mp_alloc_large(struct mp_pool_s *pool, size_t size){

	void *p = malloc(size);				//分配
	if(p==NULL)return NULL;

	size_t n = 0;
	struct mp_large_s  *large;
	for(large=pool->large; large; large = large->next){
		if(large->alloc == NULL){  
			large->alloc = p;
			return p;
		}
		if(n++>3)break;
	}

	//大内存挂接不成
	large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));
	if(large==NULL){
		free(large);
		return NULL;
	}

	large->alloc = p;
	large->next = pool->large;
	pool->large = large;

	return p;
}

释放指定大块内存p

• 先查找再释放

//释放内存p
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p){

	struct mp_large_s * large;
	for(large = pool->large; large; large = large->next){

		if(p==large->alloc){
			free(large->alloc);
			large->alloc = NULL;	
			return;
		}
	}

重载posix_memalign

//重构mem_memalign
void *mp_memalign(struct mp_pool_s *pool, size_t size, size_t alignment){

	void *p;

	int ret = posix_memalign(&p, alignment, size);
	if(ret){
		return NULL;
	}

	struct mp_large_s *large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s ));
	if(ret)return NULL;

	struct mp_large_s *large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));
	if(large==NULL){
		free(p);
		return NULL;
	}

	large->alloc = p;
	large->next = pool->large;
	pool->large = large;

	return p;
}

内存对齐公式

#define MP_ALIGNMENT       		32
#define MP_PAGE_SIZE			4096
#define MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL	(MP_PAGE_SIZE-1)

#define mp_align(n, alignment) (((n)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))
#define mp_align_ptr(p, alignment) (void *)((((size_t)p)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))

至此，内存池全部内容都在这

推荐看看nginx的内存池，这个内存池的demo和nginx的很类似