【原创】技术系列之 内存管理（三）

【原创】技术系列之 内存管理（三）

作者：CppExplore 地址：http://www.cppblog.com/CppExplore/
(2)boost::pool系列。boost的内存池最低层是simple_segregated_storage，类似于Loki中的chunk，在其中申请释放block（boost中把block称为chunk，晕死，这里还是称其为block）采用了和loki的chunk中同样的算法，不同的是simple_segregated_storage使用void*保存block的块序号，loki中使用char，因此boost中的simple_segregated_storage没有255的上限限制，自然也就不需要再其上再封装一层类似与FixedAllocator的层面。另boost没有屏蔽块的大小，直接提供定长的接口给用户，省掉了SmallObjAllocator层面。因此boost的内存池申请释放block的时间复杂度都是O(1)（object_pool和pool_allocator除外），另避免的小内存的浪费，同时boost不能象loki那样在将block归还给内存池的时候根据chunk的空闲数量释放内存归还给系统，只能显式调用释放内存函数或者等内存池销毁的时候，基本上和内存池生命周期内永不释放没什么区别。
    boost的最低层是simple_segregated_storage,主要算法和loki中的chunk一样，不多说了。这里说下影响上层接口的两类实现：add_block/malloc/free、add_ordered_block/malloc/ordered_free，两种低层实现造成boost上层设计的成功与失败,前者效率高，和loki一样直接增加释放,时间复杂度O(1)，后者扫描排序，时间复杂度O(n)。
    boost提供了四种内存池模型供使用：pool、object_pool、singleton_pool、pool_allocator/fast_pool_allocator。
1）pool
基本的定长内存池

#include  < boost / pool / pool.hpp >
typedef struct student_st
{
   char name[10];
   int age;
} CStudent;
int  main()
{
   boost::pool<> student_pool(sizeof(CStudent));
   CStudent * const obj=(CStudent *)student_pool.malloc();
   student_pool.free(obj);
   return 0;
}

    pool的模版参数只有一个分配子类型，boost提供了两种default_user_allocator_new_delete/default_user_allocator_malloc_free，指明申请释放内存的时候使用new/delete，还是malloc/free，默认是default_user_allocator_new_delete。构造函数有2个参数：nrequested_size,nnext_size。nrequested_size是block的大小（因为void*保存序号，因此boost内置了block的最小值，nrequested_size过小则取内置值），nnext_size是simple_segregated_storage中内存不足的时候，申请的block数量，默认是32。最全面的实例化pool类似这样：boost::pool<boost::default_user_allocator_malloc_free> student_pool(sizeof(CStudent),255);
    pool提供的函数主要有：

malloc/free	基于add_block/malloc/free实现，高效
ordered_malloc/ordered_free	基于add_ordered_block/malloc/ordered_free实现，在pool中无任何意义，切勿使用。
release_memory/purge_memory	前者释放池中未使用内存，后者释放池中所有内存。另池析构也会释放内存

2）object_pool
对象内存池，这是最失败的一个内存池设计。

#include  < boost / pool / object_pool.hpp >

class  A {
public:
   A():data_(0){}
private:
   int data_;
} ;
int  main()
{
   boost::object_pool<A> obj_pool;
   A *const pA=obj_pool.construct();
   obj_pool.destroy(pA);
   return 0;
}

    object_pool继承至pool，有两个模版参数，第一个就是对象类型，第二个是分配子类型，默认同pool是default_user_allocator_new_delete。构造函数参数只有nnext_size，意义以及默认值同pool。最全面的实例化object_pool类似这样：boost::pool<A,boost::default_user_allocator_malloc_free> obj_pool(255);
object_pool提供的函数主要有（继承至父类的略）：

malloc/free	复写pool的malloc/free，add_ordered_block/malloc/ordered_free实现
construct/destroy	基于本类的malloc/free实现，额外调用默认构造函数和默认析构函数。
~object_pool	单独拿出这个说下，若析构的时候有对象未被destroy，可以检测到，释放内存前对其执行destroy

    为什么boost::object_pool要设计成这样？能调用构造函数和析构函数显然不是boost::object_pool类设计的出发点，因为构造函数只能执行默认构造函数（ 首次发表错误：可以调用任意的构造函数，参见代码文件：boost/pool/detail/pool_construct.inc和boost/pool/detail/pool_construct_simple.inc，感谢eXile指正），近似于无，它的重点是内存释放时候的清理工作，这个工作默认的析构函数就足够了。apr_pool内存池中就可以注册内存清理函数，在释放内存的时刻执行关闭文件描述符、关闭socket等操作。boost::object_pool也想实现同样的功能，因此设计了destroy这个函数，而同时为了防止用户遗漏掉这个调用，而又在内存池析构的时候进行了检测回收。为了这个目的而又不至于析构object_pool的时间复杂度是O(n平方），boost::object_pool付出了沉重的代价，在每次的destoy都执行排序功能，时间复杂度O(n),最后析构的时间复杂度是O(n)，同样为了这个目的，从simple_segregated_storage增加了add_ordered_block/ordered_free，pool增加了ordered_malloc/ordered_free等累赘多余的功能。
    基于上面讨论的原因，boost::object_pool被设计成了现在的样子，成了一个鸡肋类。类的设计者似乎忘记了内存池使用的初衷，忘记了内存池中内存申请释放的频率很高，远远大于内存池对象的析构。如果你依然想使用类似于此的内存清理功能，可以在boost::object_pool上修改，不复写malloc/free即可，重写object_pool的析构，简单释放内存就好，因此析构object_pool前不要忘记调用destroy，这也是使用placement new默认遵守的规则，或者保持以前的析构函数，牺牲析构时的性能。placement new的作用是为已经申请好的内存调用构造函数，使用流程为（1）申请内存buf（2）调用placement new：new(buf)construtor()（3）调用析构destructor()（4）释放内存buf。#include<new>可以使用placement new。
3）singleton_pool
pool的加锁版本。

#include  < boost / pool / singleton_pool.hpp >
typedef struct student_st
{
   char name[10];
   int age;
} CStudent;
typedef struct singleton_pool_tag {} singleton_pool_tag;
int  main()
{
   typedef boost::singleton_pool<singleton_pool_tag,sizeof(CStudent)>  global;
   CStudent * const df=(CStudent *)global::malloc();
   global::free(df);
   return 0;
}

    singleton_pool为单例类，是对pool的加锁封装，适用于多线程环境，其中所有函数都是静态类型。它的模版参数有5个，tag：标记而已，无意义；RequestedSize：block的长度；UserAllocator：分配子，默认还是default_user_allocator_new_delete；Mutex：锁机制，默认值最终依赖于系统环境，linux下是pthread_mutex，它是对pthread_mutex_t的封装；NextSize：内存不足的时候，申请的block数量，默认是32。最全面的使用singleton_pool类似这样：typedef boost::singleton_pool<singleton_pool_tag,sizeof(CStudent),default_user_allocator_new_delete,details::pool::default_mutex,200>  global;
    它暴露的函数和pool相同。
4）pool_allocator/fast_pool_allocator
    stl::allocator的替换方案。两者都是基于singleton_pool实现，实现了stl::allocator要求的接口规范。两者的使用相同，区别在于pool_allocator的实现调用ordered_malloc/ordered_free，fast_pool_allocator的实现调用malloc/free，因此推荐使用后者。

#include  < boost / pool / pool_alloc.hpp >
#include  < vector >
typedef struct student_st
{
 char name[10];
 int age;
} CStudent;

int  main()
{
  std::vector<CStudent *,boost::fast_pool_allocator<CStudent *> > v(8);
  CStudent *pObj=new CStudent();
  v[1]=pObj;
  boost::singleton_pool<boost::fast_pool_allocator_tag,sizeof(CStudent *)>::purge_memory(); 
  return 0;
}

    fast_pool_allocator的模版参数有四个：类型，分配子，锁类型，内存不足时的申请的block数量，后三者都有默认值，不再说了。它使用的singleton_pool的tag是boost::fast_pool_allocator_tag。
评价：boost::pool小巧高效，多多使用，多线程环境下使用boost::singleton_pool，不要使用两者的ordered_malloc/ordered_free函数。boost::object_pool不建议使用，可以改造后使用。pool_allocator/fast_pool_allocator推荐使用后者。

未完 待续.................... 不过这个主题暂时不写了 等有时间了