c++-定长内存池

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前言

一、定长内存池

我们知道申请内存使用的是malloc，malloc其实就是一个通用的申请函数，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，下面我们来设计一个定长内存池。
定长内存池的特点就是每次都申请固定大小的内存，这样做的话就可以使性能达到极致，并且不需要考虑内存碎片等问题。
我们在定长内存池类中创建一个 _memory来指向申请的大块内存。然后设置一个 _freeList指针来存还回来的内存块。再设置一个 _remainBytes来记录申请的大块内存的剩余空间。


下面我们实现ObjectPool类中的New函数，New函数会从大块内存中返回一个T大小的内存供用户使用。并且当大块内存中剩余的内存不够一个T大小时，就需要重新向堆中再申请一大块内存。


下面我们再来实现ObjectPool类中的Delete函数。我们让_freeList指针指向还回来的内存块的地址，然后让每个内存块的前4个字节或前8个字节用来存储下一个内存块的地址。

但是下面的代码会出现问题，因为在32位下，指针大小为4字节，所以* (int * )就是访问obj的前4个字节的内存，并且将这4个字节存入nullptr。但是如果在64位下，指针大小为8字节，* (int * )还是访问obj的前4个字节的内存，并且将这4个字节的内存存入空指针。这是肯定会出错的。

改成下面的代码就没有问题了。obj被强转为void* *，如果解引用obj的话就是解引用一个指针变量的大小，即32位下4个字节，64位下8个字节，也可以为int * *或char * *等。而上面的将obj强转为int * 的话，解引用的话就是取一个int的大小，为4字节。

当再有新的内存块被还回来时，我们采用头插法将新的内存块头插到这个链表中。并且我们看到当_freeList为空时也可以使用头插法来插入内存块obj，所以我们可以将Delete函数的代码改为下面这样。


Delete函数这样设计的话就需要使用New申请的内存块必须要可以存的下一个指针，而如果当我们申请的T为char类型或int类型时，内存块大小就为1字节或4字节，在64位下就不够存一个指针的。所以我们需要在New函数中做新的处理，当T的大小小于指针的大小时，就给T分配一个指针大小的内存块。

然后我们再修改New函数，当_freeList中不为空时，即有还回来的内存块时，就优先使用还回来的内存块。然后我们再使用定位new来显式调用T的构造函数将内存块进行初始化。

然后在Delete函数中显式调用T类型的析构函数，将内存块中T类型对象申请的空间都释放。

这样我们就实现了一个简单的定长内存池，下面我们来进行测试。
我们使用new/delete和New/Delete来重复申请和释放TreeNode结点，然后对比看那一组的申请释放TreeNode结点的速度快。

在Debug版本下我们看的是这样的情况。

release版本下我们看到性能的差距更大。

因为malloc函数是针对多种场景的，所以需要考虑到更多情况，故使用malloc的话性能就没有那么高了。而我们自己写的ObjectPool只考虑T类型，所以性能就比较高。我们知道了我们的ObjectPool底层其实也是调用的malloc函数，只不过我们调用malloc函数一次申请的内存空间比较多，然后我们使用ObjectPool来管理这一大片内存空间，这样就不用频繁的使用malloc函数来申请内存了，所以性能就高了。
我们也可以在ObjectPool的底层不使用malloc函数来从堆区中申请空间，而是直接使用系统提供的系统调用接口从堆区中申请空间。我们下面调用windows下的VirtualAlloc接口从堆区中按页申请空间。