C++ 内存池 -- C++ Memory Pool

这是我翻译的文章，来自 Code Project，

原文作者: DanDanger2000. 

原文链接: http://www.codeproject.com/cpp/MemoryPool.asp

C++ 内存池

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目录

l  引言

l  它怎样工作

l  示例

l  使用这些代码

l  好处

l  关于代码

l  ToDo

l  历史

 

引言

C/C++ 的内存分配 ( 通过 malloc 或 new) 可能需要花费很多时。

更糟糕的是，随着时间的流逝，内存 (memory) 将形成碎片，所以一个应用程序的运行会越来越慢当它运行了很长时间和 / 或执行了很多的内存分配 ( 释放 ) 操作的时候。特别是，你经常申请很小的一块内存，堆 (heap) 会变成碎片的。

解决方案:你自己的内存池

一个 ( 可能的 ) 解决方法是内存池 (Memory Pool) 。

在启动的时候，一个 ” 内存池 ”(Memory Pool) 分配一块很大的内存，并将会将这个大块 (block) 分成较小的块 (smaller chunks) 。每次你从内存池申请内存空间时，它会从先前已经分配的块 (chunks) 中得到， 而不是从操作系统。最大的优势在于：

l  非常少 ( 几没有 ) 堆碎片

l  比通常的内存申请 / 释放 ( 比如通过 malloc , new 等 ) 的方式快

另外，你可以得到以下好处：

l  检查任何一个指针是否在内存池里

l  写一个 ” 堆转储 ( Heap-Dump )” 到你的硬盘 ( 对事后的调试非常有用 )

l  某种 ” 内存泄漏检测 ( memory-leak detection )” ：当你没有释放所有以前分配的内存时，内存池 (Memory Pool) 会抛出一个断言 ( assertion ).

它怎样工作

让我们看一看内存池 (Memory Pool) 的 UML 模式图：

这个模式图只显示了类 CMemoryPool 的一小部分，参看由 Doxygen 生成的文档以得到详细的类描述。

 

一个关于内存块(MemoryChunks)的单词

你应该从模式图中看到， 内存池 (Memory Pool) 管理了一个指向结构体 SMemoryChunk ( m_ptrFirstChunk , m_ptrLastChunk , and m_ptrCursorChunk ) 的指针。这些块 (chunks) 建立一个内存块 (memory chunks) 的链表。各自指向链表中的下一个块 (chunk) 。当从操作系统分配到一块内存时，它将完全的被 SMemoryChunk s 管理。让我们近一点看看一个块 (chunk) 。

typedef  struct  SMemoryChunk
... {
  TByte *Data ;             // The actual Data
  std::size_t DataSize ;    // Size of the "Data"-Block
  std::size_t UsedSize ;    // actual used Size
  bool IsAllocationChunk ;  // true, when this MemoryChunks
                            // Points to a "Data"-Block
                            // which can be deallocated via "free()"
  SMemoryChunk *Next ;      // Pointer to the Next MemoryChunk
                            // in the List (may be NULL)

}  SmemoryChunk;

每个块(chunk)持有一个指针，指针指向:

l  一小块内存 ( Data ) ，

l  从块 (chunk) 开始的可用内存的总大小 ( DataSize ) ，

l  实际使用的大小 ( UsedSize ) ，

l  以及一个指向链表中下一个块 (chunk) 的指针。

第一步：预申请内存(pre-allocating the memory)

当你调用 CmemoryPool 的构造函数，内存池 (Memory Pool) 将从操作系统申请它的第一块 ( 大的 ) 内存块 (memory-chunk)

/**/ /*Constructor
******************/
CMemoryPool::CMemoryPool( const  std::size_t  & sInitialMemoryPoolSize,
                          const  std::size_t  & sMemoryChunkSize,
                          const  std::size_t  & sMinimalMemorySizeToAllocate,
                          bool  bSetMemoryData)
... {
  m_ptrFirstChunk  = NULL ;
  m_ptrLastChunk   = NULL ;
  m_ptrCursorChunk = NULL ;

  m_sTotalMemoryPoolSize = 0 ;
  m_sUsedMemoryPoolSize  = 0 ;
  m_sFreeMemoryPoolSize  = 0 ;

  m_sMemoryChunkSize   = sMemoryChunkSize ;
  m_uiMemoryChunkCount = 0 ;
  m_uiObjectCount      = 0 ;

  m_bSetMemoryData               = bSetMemoryData ;
  m_sMinimalMemorySizeToAllocate = sMinimalMemorySizeToAllocate ;

  // Allocate the Initial amount of Memory from the Operating-System...
  AllocateMemory(sInitialMemoryPoolSize) ;
}

类的所有成员通用的初始化在此完成， AllocateMemory 最终完成了从操作系统申请内存。

/**/ /******************
AllocateMemory
******************/
bool  CMemoryPool::AllocateMemory( const  std::size_t  & sMemorySize)
... {
  std::size_t sBestMemBlockSize = CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;
  // allocate from Operating System
  TByte *ptrNewMemBlock = (TByte *) malloc (sBestMemBlockSize) ;
  ...

那么，是如何管理数据的呢？

第二步：已分配内存的分割(segmentation of allocated memory)

正如前面提到的， 内存池( Memory Pool ) 使用 SMemoryChunk s 管理所有数据。从OS申请完内存之后，我们的块(chunks)和实际的内存块(block)之间就不存在联系：

Memory Pool after initial allocation

我们需要分配一个结构体 SmemoryChunk 的数组来管理内存块：

   //  (AllocateMemory()continued) : 
  ...
  unsigned  int  uiNeededChunks  =  CalculateNeededChunks(sMemorySize) ;
   //  allocate Chunk-Array to Manage the Memory
  SMemoryChunk  * ptrNewChunks  =  
    (SMemoryChunk  * ) malloc ((uiNeededChunks  *   sizeof (SMemoryChunk))) ;
  assert(((ptrNewMemBlock)  &&  (ptrNewChunks)) 
                            &&   " Error : System ran out of Memory " ) ;
  ...

CalculateNeededChunks() 负责计算为管理已经得到的内存需要的块(chunks)的数量。分配完块(chunks)之后(通过 malloc ) ， ptrNewChunks 将指向一个 SmemoryChunk s 的数组。注意，数组里的块 (chunks) 现在持有的是垃圾数据，因为我们还没有给 chunk-members 赋有用的数据。内存池的堆 (Memory Pool-"Heap"):

Memory Pool after SMemoryChunk allocation

还是那句话，数据块 (data block) 和 chunks 之间没有联系。但是， AllocateMemory() 会照顾它。 LinkChunksToData() 最后将把数据块 (data block) 和 chunks 联系起来，并将为每个 chunk-member 赋一个可用的值。

//  (AllocateMemory()continued) : 
  ...
   //  Associate the allocated Memory-Block with the Linked-List of MemoryChunks
   return  LinkChunksToData(ptrNewChunks, uiNeededChunks, ptrNewMemBlock) ;

让我们看看 LinkChunksToData() ：

/**/ /******************
LinkChunksToData
******************/
bool  CMemoryPool::LinkChunksToData(SMemoryChunk  * ptrNewChunks, 
     unsigned  int  uiChunkCount, TByte  * ptrNewMemBlock)
... {
  SMemoryChunk *ptrNewChunk = NULL ;
  unsigned int uiMemOffSet = 0 ;
  bool bAllocationChunkAssigned = false ;
  for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
  ...{
    if(!m_ptrFirstChunk)
    ...{
      m_ptrFirstChunk = SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[0])) ;
      m_ptrLastChunk = m_ptrFirstChunk ;
      m_ptrCursorChunk = m_ptrFirstChunk ;
    }
    else
    ...{
      ptrNewChunk = SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[i])) ;
      m_ptrLastChunk->Next = ptrNewChunk ;
      m_ptrLastChunk = ptrNewChunk ;
    }
    
    uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
    m_ptrLastChunk->Data = &(ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ;

    // The first Chunk assigned to the new Memory-Block will be 
    // a "AllocationChunk". This means, this Chunks stores the
    // "original" Pointer to the MemBlock and is responsible for
    // "free()"ing the Memory later....
    if(!bAllocationChunkAssigned)
    ...{
      m_ptrLastChunk->IsAllocationChunk = true ;
      bAllocationChunkAssigned = true ;
    }
  }
  return RecalcChunkMemorySize(m_ptrFirstChunk, m_uiMemoryChunkCount) ;
}

让我们一步步地仔细看看这个重要的函数：第一行检查链表里是否已经有可用的块(chunks):

  ...
   if ( ! m_ptrFirstChunk)
  ...

我们第一次给类的成员赋值：

  ...
  m_ptrFirstChunk  =  SetChunkDefaults( & (ptrNewChunks[ 0 ])) ;
  m_ptrLastChunk  =  m_ptrFirstChunk ;
  m_ptrCursorChunk  =  m_ptrFirstChunk ;
  ...

m_ptrFirstChunk 现在指向块数组( chunks-array ) 的第一个块，每一个块严格的管理来自内存( memory block ) 的 m_sMemoryChunkSize 个字节。一个 ” 偏移量 ”(offset) ——这个值是可以计算的所以每个 (chunk) 能够指向内存块 ( memory block) 的特定部分。

 

  uiMemOffSet  =  (i  *  ((unsigned  int ) m_sMemoryChunkSize)) ;
  m_ptrLastChunk -> Data  =   & (ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ; 

另外，每个新的来自数组的 SmemoryChunk 将被追加到链表的最后一个元素(并且它自己将成为最后一个元素):

  ...
  m_ptrLastChunk -> Next  =  ptrNewChunk ;
  m_ptrLastChunk  =  ptrNewChunk ;
  ...

在接下来的 " for loop" 中，内存池(memory pool)将连续的给数组中的所有块(chunks)赋一个可用的数据。

Memory and chunks linked together, pointing to valid data

最后，我们必须重新计算每个块(chunk)能够管理的总的内存大小。这是一个费时的，但是在新的内存追加到内存池时必须做的一件事。这个总的大小将被赋值给chunk的 DataSize 成员。

/**/ /******************
RecalcChunkMemorySize
******************/
bool  CMemoryPool::RecalcChunkMemorySize(SMemoryChunk  * ptrChunk, 
                  unsigned  int  uiChunkCount)
... {
  unsigned int uiMemOffSet = 0 ;
  for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
  ...{
    if(ptrChunk)
    ...{
      uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
      ptrChunk->DataSize = 
        (((unsigned int) m_sTotalMemoryPoolSize) - uiMemOffSet) ;
      ptrChunk = ptrChunk->Next ;
    }
    else
    ...{
     assert(false && "Error : ptrChunk == NULL") ;
     return false ;
    }
  }
  return true ;
}

RecalcChunkMemorySize 之后，每个chunk都知道它指向的空闲内存的大小。所以，将很容易确定一个chunk是否能够持有一块特定大小的内存：当 DataSize 成员大于 ( 或等于 ) 已经申请的内存大小以及 DataSize 成员是 0 ，于是 chunk 有能力持有一块内存。最后，内存分割完成了。为了不让事情太抽象，我们假定内存池 (memory pool ) 包含600字节，每个chunk持有100字节。

  

Memory segmentation finished. Each chunk manages exactly 100 bytes

第三步：从内存池申请内存(requesting memory from the memory pool)

那么，如果用户从内存池申请内存会发生什么？最初，内存池里的所有数据是空闲的可用的：

 

All memory blocks are available

我们看看 GetMemory :

/**/ /******************
GetMemory
******************/
void   * CMemoryPool::GetMemory( const  std::size_t  & sMemorySize)
... {
  std::size_t sBestMemBlockSize = CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;  
  SMemoryChunk *ptrChunk = NULL ;
  while(!ptrChunk)
  ...{
    // Is a Chunks available to hold the requested amount of Memory ?
    ptrChunk = FindChunkSuitableToHoldMemory(sBestMemBlockSize) ;
    if (!ptrChunk)
    ...{
      // No chunk can be found
      // => Memory-Pool is to small. We have to request 
      //    more Memory from the Operating-System....
      sBestMemBlockSize = MaxValue(sBestMemBlockSize, 
        CalculateBestMemoryBlockSize(m_sMinimalMemorySizeToAllocate)) ;
      AllocateMemory(sBestMemBlockSize) ;
    }
  }

  // Finally, a suitable Chunk was found.
  // Adjust the Values of the internal "TotalSize"/"UsedSize" Members and 
  // the Values of the MemoryChunk itself.
  m_sUsedMemoryPoolSize += sBestMemBlockSize ;
  m_sFreeMemoryPoolSize -= sBestMemBlockSize ;
  m_uiObjectCount++ ;
  SetMemoryChunkValues(ptrChunk, sBestMemBlockSize) ;

  // eventually, return the Pointer to the User
  return ((void *) ptrChunk->Data) ;
}

当用户从内存池中申请内存是，它将从链表搜索一个能够持有被申请大小的chunk。那意味着：

l  那个chunk的 DataSize 必须大于或等于被申请的内存的大小；  

l  那个chunk的 UsedSize 必须是 0 。

 

这由 FindChunkSuitableToHoldMemory   方法完成。如果它返回 NULL ，那么在内存池中没有可用的内存。这将导致 AllocateMemory 的调用 ( 上面讨论过 ) ，它将从 OS 申请更多的内存。如果返回值不是 NULL ， 一个可用的 chunk 被发现。 SetMemoryChunkValues 会调整 chunk 成员的值，并且最后 Data 指针被返回给用户 ...

/**/ /******************
    SetMemoryChunkValues
    ******************/
void  CMemoryPool::SetMemoryChunkValues(SMemoryChunk  * ptrChunk, 
      const  std::size_t  & sMemBlockSize)
... {
  if(ptrChunk) 
  ...{
    ptrChunk->UsedSize = sMemBlockSize ;
  }
  ...
    }  

示例

假设，用户从内存池申请 250 字节：

 

 

Memory in use

如我们所见，每个内存块(chunk)管理100字节，所以在这里250字节不是很合适。发生了什么事？Well， GetMemory   从第一个chunk返回 Data 指针并把它的 UsedSize 设为300字节，因为300字节是能够被管理的内存的最小值并大于等于250。那些剩下的 (300 - 250 = 50) 字节被称为内存池的 " memory overhead" 。这没有看起来的那么坏，因为这些内存还可以使用 ( 它仍然在内存池里 ) 。

当 FindChunkSuitableToHoldMemory 搜索可用 chunk 时，它仅仅从一个空的 chunk 跳到另一个空的 chunk 。那意味着，如果某个人申请另一块内存 (memory-chunk) ，第四块 ( 持有 300 字节的那个 ) 会成为下一个可用的 ("valid") chunk 。

 

Jump to next valid chunk

使用代码

使用这些代码是简单的、直截了当的：只需要在你的应用里包含 " CMemoryPool.h" ，并添加几个相关的文件到你的 IDE/Makefile:

• CMemoryPool.h
• CMemoryPool.cpp
• IMemoryBlock.h
• SMemoryChunk.h

你只要创建一个 CmemoryPool 类的实例，你就可以从它里面申请内存。所有的内存池的配置在 CmemoryPool 类的构造函数 ( 使用可选的参数 ) 里完成。看一看头文件 (" CMemoryPool.h") 或 Doxygen-doku 。所有的文件都有详细的 (Doxygen-) 文档。

应用举例

MemPool::CMemoryPool  * g_ptrMemPool  =   new  MemPool::CMemoryPool() ;
char   * ptrCharArray  =  ( char   * ) g_ptrMemPool -> GetMemory( 100 ) ;
...
g_ptrMemPool -> FreeMemory(ptrCharArray,  100 ) ;
delete g_ptrMemPool ;

好处

内存转储(Memory dump)

你可以在任何时候通过 WriteMemoryDumpToFile(strFileName) 写一个 "memory dump" 到你的 HDD 。看看一个简单的测试类的构造函数 ( 使用内存池重载了 new 和 delete 运算符 ) ：

 

/**/ /******************
Constructor
******************/
MyTestClass::MyTestClass()
... {
   m_cMyArray[0] = 'H' ;
   m_cMyArray[1] = 'e' ;
   m_cMyArray[2] = 'l' ;
   m_cMyArray[3] = 'l' ;
   m_cMyArray[4] = 'o' ;
   m_cMyArray[5] = NULL ;
   m_strMyString = "This is a small Test-String" ;
   m_iMyInt = 12345 ;

   m_fFloatValue = 23456.7890f ;
   m_fDoubleValue = 6789.012345 ;

   Next = this ;
}

MyTestClass  * ptrTestClass  =   new  MyTestClass ; 
g_ptrMemPool -> WriteMemoryDumpToFile( " MemoryDump.bin " ) ;

看一看内存转储文件 (" MemoryDump.bin"):

如你所见，在内存转储里有 MyTestClass 类的所有成员的值。明显的， "Hello" 字符串 ( m_cMyArray ) 在那里，以及整型数 m_iMyInt (3930 0000 = 0x3039 = 12345 decimal) 等等。这对调式很有用。

速度测试

我在 Windows 平台上做了几个非常简单的测试 ( 通过 timeGetTime() ) ，但是结果说明内存池大大提高了应用程序的速度。所有的测试在 Microsoft Visual Studio .NET 2003 的 debug 模式下 ( 测试计算机 : Intel Pentium IV Processor (32 bit), 1GB RAM, MS Windows XP Professional).

// Array-test (Memory Pool): 
for (unsigned  int  j  =   0 ; j  <  TestCount; j ++ )
... {
        // ArraySize = 1000
    char *ptrArray = (char *) g_ptrMemPool->GetMemory(ArraySize)  ;
    g_ptrMemPool->FreeMemory(ptrArray, ArraySize) ;
}
  
     // Array-test (Heap):
for (unsigned  int  j  =   0 ; j  <  TestCount; j ++ )
... {
        // ArraySize = 1000
    char *ptrArray = (char *) malloc(ArraySize)  ;
    free(ptrArray) ;
   }

Results for the "array-test

 

    //Class-Test for MemoryPool and Heap (overloaded new/delete)

  // Class-Test for MemoryPool and Heap (overloaded new/delete) 
for (unsigned  int  j  =   0 ; j  <  TestCount; j ++ )
... {
    MyTestClass *ptrTestClass = new MyTestClass ;
    delete ptrTestClass ;
}

 

Results for the "classes-test" (overloaded new/delete operators)

关于代码

这些代码在Windows和Linux平台的下列编译器测试通过：

• Microsoft Visual C++ 6.0
• Microsoft Visual C++ .NET 2003
• MinGW (GCC) 3.4.4 (Windows)
• GCC 4.0.X (Debian GNU Linux)

Microsoft Visual C++ 6.0( *.dsw, *.dsp) 和 Microsoft Visual C++ .NET 2003 ( *.sln, *.vcproj) 的工程文件已经包含在下载中。内存池仅用于 ANSI/ISO C++, 所以它应当在任何 OS 上的标准的 C++ 编译器编译。在 64 位处理器上应当没有问题。

注意 ：内存池不是线程安全的。

ToDo

这个内存池还有许多改进的地方 ;-) ToDo 列表包括：

l  对于大量的内存， memory-"overhead" 能够足够大。

l  某些 CalculateNeededChunks 调用能够通过从新设计某些方法而去掉

l  更多的稳定性测试 ( 特别是对于那些长期运行的应用程序 )

l  做到线程安全。

 

历史

l  05.09.2006: Initial release

 

EoF

DanDanger2000