C++中高性能内存池的实现详解

什么是内存池

内存池是一种用来管理内存分配和释放的技术，它可以提高程序的性能和可靠性。它通过提前分配一定量的内存，然后用这些空闲的内存来提高分配和释放的效率，减少频繁的内存分配和释放操作，从而避免出现内存碎片等问题。

实现内存池的步骤

实现内存池的基本过程如下：

1. 初始化内存池，分配一定量的内存。
2. 将内存块（block）对齐。
3. 分配内存时从内存池中取出相应大小的内存块，返回其地址。
4. 释放内存时将内存块添加回内存池中，以供后续的分配使用。
5. 当内存池中没有足够的内存块时，需要重新向操作系统请求分配内存。

如何实现高性能的内存池

为了实现高性能的内存池，我们需要遵循以下原则：

1. 分配内存时应该尽量避免系统调用，因为系统调用会产生较大的开销。
2. 内存块的大小应该尽量设计为2^n（n为正整数），这样可以避免内存碎片。
3. 内存块应该对齐到CPU缓存行的大小（大小为64字节），这样可以提高内存访问的效率。

示例说明

下面的示例代码展示了一个简单的内存池的实现：

class MemoryPool {
private:
    size_t bSize;
    char* pStart;
    char* pEnd;
    char* pCurrent;
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount);
    void* allocate(size_t size);
    void deallocate(void* ptr);
    ~MemoryPool();
};

MemoryPool::MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount) :
    bSize(blockSize), pStart(0), pEnd(0), pCurrent(0)
{
    size_t size = bSize * blockCount;
    pStart = new char[size];
    pEnd = pStart + size;
    pCurrent = pStart;
}

void* MemoryPool::allocate(size_t size)
{
    if (pCurrent + size > pEnd) {
        throw std::bad_alloc();
    }
    void* pResult = pCurrent;
    pCurrent += size;
    return pResult;
}

void MemoryPool::deallocate(void* ptr)
{
    // do nothing
}

MemoryPool::~MemoryPool()
{
    delete[] pStart;
}

在这个示例中，内存池的实现非常简单，它仅仅是分配了一定数量的内存块，并通过指针pCurrent来记录当前可用的内存位置。当需要分配一段内存时，它只需要判断当前可用内存是否足够，如果足够则返回pCurrent指向的内存位置，并将pCurrent向后移动，否则则抛出std::bad_alloc异常。

下面是示例的使用方法：

MemoryPool pool(sizeof(int), 10);
int* p = (int*)pool.allocate(sizeof(int));
*p = 123;
pool.deallocate(p);

这个示例用内存池分配了一个int类型的变量，并且成功释放了这个变量分配的内存。因为这个内存池仅仅是提供了分配和释放内存的功能，没有实现内存的复用，所以它不能处理内存泄露和内存碎片等问题。

下面的示例代码展示了如何通过链表的方式实现复用内存的内存池：

class MemoryPool {
private:
    struct BlockHeader {
        BlockHeader* pNext;
    };
    size_t bSize;
    char* pStart;
    char* pEnd;
    BlockHeader* pFreeList;
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount);
    void* allocate(size_t size);
    void deallocate(void* ptr);
    ~MemoryPool();
};

MemoryPool::MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount) :
    bSize(blockSize), pStart(0), pEnd(0), pFreeList(0)
{
    size_t size = bSize * blockCount;
    pStart = new char[size];
    pEnd = pStart + size;
    pFreeList = (BlockHeader*)pStart;
    BlockHeader* pCurrent = pFreeList;
    for (size_t i = 0; i < blockCount - 1; i++) {
        pCurrent->pNext = (BlockHeader*)((char*)pCurrent + bSize);
        pCurrent = pCurrent->pNext;
    }
    pCurrent->pNext = 0;
}

void* MemoryPool::allocate(size_t size)
{
    if (!pFreeList) {
        throw std::bad_alloc();
    }
    void* pResult = (void*)pFreeList;
    pFreeList = pFreeList->pNext;
    return pResult;
}

void MemoryPool::deallocate(void* ptr)
{
    BlockHeader* pBlock = (BlockHeader*)ptr;
    pBlock->pNext = pFreeList;
    pFreeList = pBlock;
}

MemoryPool::~MemoryPool()
{
    delete[] pStart;
}

在这个示例中，内存池利用了一个链表来保存所有可用的内存块。在分配内存时，它只需要从链表中取出第一个可用的内存块，并将链表头指向下一个可用的内存块。在释放内存时，它只需要将释放的内存块插入到链表头即可。

下面是示例的使用方法：

MemoryPool pool(sizeof(int), 10);
int* p1 = (int*)pool.allocate(sizeof(int));
int* p2 = (int*)pool.allocate(sizeof(int));
*p1 = 123;
*p2 = 456;
pool.deallocate(p1);
pool.deallocate(p2);
int* p3 = (int*)pool.allocate(sizeof(int));
int* p4 = (int*)pool.allocate(sizeof(int));
assert(p3 == p1 && p4 == p2);

这个示例利用了内存池分配了两个int类型的变量，并且成功释放了这两个变量分配的内存，并且再次分配内存时得到了之前释放的内存。这个内存池通过复用内存块来解决了内存碎片和内存泄露的问题，从而提高了内存使用的效率。