[置顶] 高效内存池的设计方案[C语言]

• 作者：邹祁峰
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• 日期：2012.11.18 凌晨02:00
  
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1 引言

    本人在转发的博文《内存池的设计和实现》中，详细阐述了系统默认内存分配函数malloc/free的缺点，以及进行内存池设计的原因，在此不再赘述。通过对Nginx内存池以及《内存池的设计和实现》的分析后，现提出一种性能更优（申请/释放内存时间复杂度为O(1)）的内存池的设计方案。如有不妥之处，欢迎指正！如有其他的内存池的设计方案，欢迎共同分享和探讨。【注意：LINUX内核、NGINX、MEMCACHE使用SLAB机制内存分配方案】

2 结构设计

2.1 内存池结构

/* 内存池结构体 */
typedef struct
{
    int unitsize;             /* 内存单元大小，即unit的大小 */
    int initnum;              /* 初始内存单元的数目 */
    int grownum;              /* 每次新增内存单元的数目 */
    int totalnum;             /* 内存单元总数 */
    memblock_t *block;        /* memblock_t链表头 */
    char *idleunit;           /* 空闲内存单元链表头 */
#if defined(__MEMPOOL_LOCK__)
    spinlock_t lock;          /* 自旋锁:使用自旋锁有效避免CPU切换的开销 */
#endif /*__MEMPOOL_LOCK__*/
}mempool_t;

代码1 内存池结构

/* 内存块结构体 */
typdef struct
{
    int unitnum;              /* 内存块总数 */
    int idlenum;              /* 空闲内存块数 */
    mempool_t *pool;          /* 所属池：所属mempool_t */
    char *lastunit;           /* 结束块地址(此变量可删除) */
    memblock_t *next;         /* 下一个memblock_t */
}memblock_t;

代码2 内存块结构

/* 内存单元信息 */
typedefstruct
{
    memblock_t *block;        /* 所属块：内存单元所属memblock_t */
    char *next;               /* 下一块内存块地址 */
}memunit_info_t;

代码3 内存单元信息

2.2 总体结构

内存池的总体结构图为：

图1 总体结构图

2.3 运行机制

此内存池的运行机制如下：

• 1）将每一个内存单元的大小固定化，可提高内存分配效率。比如：内存单元分别为：{8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, …}（单位：byte）。Mempool_t之间是通过数组形式组织的，其大体结构如下：（注：为了明确Mempool_t之间的关系，未标出其他变量之间的关系）

图2 Mempool_t数组

[注：为提高效率，通过数组存储Mempool_t，在申请内存空间时，可通过偏移量快速定位使用哪个大小的内存池]

• 2）内存池实际可供分配的内存单元是在Memblock_t中，当所有Memblock_t中的内存单元被使用完后，则需申请开辟一个新的Memblock_t，并加入到Memblock_t链表之中。Memblock_t的组织方式为：（注：为了明确Memblock_t之间的关系，未标出其他变量之间的关系）

图3 Memblock_t链表

• 3）使用链表组织空闲内存单元，可大大提高内存分配/释放时的效率（时间复杂度为O(1)）。Mempool_t中的idleunit是空闲内存单元的链表头。空闲内存单元的组织形式如下：（注：为明确空闲内存单元之间的关系，未标明其他变量之间的关系）

图4 空闲内存单元链表

[说明：Memblock_t中的用红色数字标记的内存单元代表已被分配内存单元，

用绿色数字标记的内存单元代表空闲内存单元]

• 4）当申请内存时，将idleunit指向的内存单元踢出空闲内存单元链表，并idleunit指向内存单元的后继，再返回该内存单元的地址。以图4为例，申请内存块后，空闲内存单元链表如图所示：（注：请对比与图4之间的变化）

图5 内存申请图

[注：当申请的内存空间size比所有的内存单元都大时，

则通过malloc（）向OS申请size+sizeof(memunit_info_t)的内存空间]

• 5）当释放内存单元unitn时，将unitn的后继改为idleunit的指向，同时将idleunit指向要释放的内存单元unitn。以图4为例，释红色数字标记的内存单元3后，空闲内存单元链表如图所示：（注：请对比与图4之间的变化）

图6 内存释放图

• 6）内存单元是通过链表形式进行组织管理的，因此，每个内存单元有额外的空间用来存放组织链表的信息。将图4进一步展开：（注：请结合图4一起看）

图7 内存单元内部结构

说明：

  -> 1. 每个内存单元的内部结构：memunit_info_t结构+unitsize大小的空间。每个内存单元的大小为：sizeof(memunit_info_t)+unitsize；

  -> 2. idleunit指向的是内存单元的data；空闲内存单元的next指向的是后继内存单元的data，无后继则为NULL；已分配的内存单元的next始终为NULL。

  -> 3. 内存单元的block指向宿主Memblock_t，这可快速的确定对当前内存单元属于哪个Memblock_t，再通过Memblock_t中的pool，可快速获知属于哪个Mempool_t。

  -> 4. 在分配内存时，返回给用户的是data的地址，而不是内存单元的地址。

• 7）在释放内存单元时，为使被释放内存单元加入空闲内存单元链表，可通过内存单元的block获知所属Memblock_t，再通过pool获知所属Mempool_t，因此，便可知空闲内存单元链表头idleunit，此时便可将被释放的内存单元加入空闲链表。

图8 所属Mempool_t

2.4 优缺点

通过对以上几点的分析，可知此内存池有以下优缺点：

优点：

  1. 定位内存池的时间复杂度为O(1)

    内存单元可申请使用的空间依次为8、16、32、64、128、256、512、1024 ..., 因此，定位内存池的算法:(n为内存池数组下标)

if(size > 8)
{
    shift=1;
    for(s=size-1; s>=1; ++shift) { NULL; } /* 计算位移 */
    n = shift - 3; /* 计算角标 */
}
else
{
    n = 0;
}

代码4 计算角标

  2. 申请和释放内存的时间复杂度为O(1)

  3. 有效减少内存碎片

  4. 较小的互斥粒度：申请空间时，每次只锁住对应的mempool_t的内存池，依然可以申请其他size的内存池空间[注：如果再加入为每个线程分配一个内存池对象的机制，则可达到零互斥零竞争。这样的话，可不使用互斥机制，同时能够进一步提高性能]

  5. 内存空间可动态扩展。

缺点：

  1. 内存单元的实际大小要比unitsize多sizeof(memunit_info_t)个字节

  2. 空闲内存单元链表中的内存单元是乱序串联的，因此会造成即使空闲内存单元个数超过单个Memblock_t内存单元总数时，操作系统可能依然无法释放任何一个Memblock_t对象。