基于一个简单定长内存池的实现方法详解

什么是内存池

内存池是一种常见的内存管理机制，主要应用于频繁进行内存分配和释放的场景。内存池会在程序初始化时先分配固定大小的内存块，程序执行中使用时直接从内存池中获取可用内存，使用完毕后放回内存池中，避免频繁进行内存分配和释放过程，从而提高程序的性能。

实现方法

以下是一个简单的内存池实现方法：

内存池初始化

先定义一个结构体用于记录内存池信息：

typedef struct {
    char *start;        // 内存池起始位置
    char *end;          // 内存池结束位置
    char *current;      // 当前可用位置
} memory_pool_t;

在初始化函数中，首先从操作系统中获取一块指定大小的内存并对其进行清零。然后将内存池信息填充完成，并返回内存池句柄。

memory_pool_t* memory_pool_init(int size) {
    // 从操作系统中获取一块空间
    void *block = malloc(size);
    // 对空间进行清零
    memset(block, 0, size);
    // 填充内存池信息
    memory_pool_t *pool = (memory_pool_t*)malloc(sizeof(memory_pool_t));
    pool->start = (char*)block;
    pool->end = pool->start + size;
    pool->current = pool->start;
    return pool;
}

内存分配

当需要分配内存时，先判断内存池中是否还有可用内存（即当前可用位置是否超出内存池结束位置），如果是，则返回空指针表示内存分配失败；否则将当前可用位置指针向后移动分配所需内存大小，并返回当前可用位置指针即为分配出的内存地址。

void* memory_pool_malloc(memory_pool_t* pool, int size) {
    char *new_current = pool->current + size;
    if (new_current > pool->end) {
        return NULL;    // 内存池已满
    }
    void *new_mem = (void*)pool->current;
    pool->current = new_current;
    return new_mem;
}

内存释放

当需要释放内存时，这些内存并不立即被释放，而是先将这些内存地址保存起来，等到需要重新进行内存分配时再重新使用这些内存。保存这些内存地址的结构体称为内存块，使用一个链表将所有空闲的内存块连接起来，内存块链表中的每个节点保存了一个空闲内存块的地址和大小。具体实现也是非常简单，只需要在每次内存块释放时将空闲内存块的大小和地址保存到一个节点中，并将该节点加入到内存块链表中即可。

typedef struct memory_block_t {
    struct memory_block_t *next;    // 下一个空闲内存块节点
    void *block;                    // 空闲内存块地址
    int size;                       // 空闲内存块大小
} memory_block_t;

memory_block_t *memory_block_list;  // 内存块链表头指针

void memory_pool_free(memory_pool_t* pool, void *p) {
    // 将空闲内存加入到内存块链表中
    memory_block_t *block = (memory_block_t*)malloc(sizeof(memory_block_t));
    block->block = p;
    block->size = pool->end - pool->current;
    block->next = memory_block_list;
    memory_block_list = block;
}

检查内存池是否已满

内存池是否已满的判断标准就是当前可用位置是否超出内存池结束位置。

int memory_pool_is_full(memory_pool_t* pool) {
    if (pool->current == pool->end) {
        return 1;   // 内存池已满
    }
    return 0;       // 内存池未满
}

示例说明

以下是两个内存池的示例说明：

示例1

假设程序中需要频繁分配一段大小为128字节的内存，我们可以使用如下的内存池管理这些内存：

memory_pool_t *pool = memory_pool_init(1024*1024);    // 初始化一个大小为1MB的内存池
char *buf1 = (char*)memory_pool_malloc(pool, 128);
char *buf2 = (char*)memory_pool_malloc(pool, 128);
...
memory_pool_free(pool, buf1);
...
memory_pool_free(pool, buf2);

在这个例子中，我们初始化了一个大小为1MB的内存池，然后频繁的从中分配128字节的内存，使用完毕后再返回到内存池中。因为这些内存的分配和释放都是从内存池中进行的，避免了频繁进行内存分配和释放，从而提高了程序的性能。

示例2

假设程序中需要频繁分配一段大小不定的内存，我们可以使用如下的内存池管理这些内存：

memory_pool_t *pool = memory_pool_init(1024*1024);    // 初始化一个大小为1MB的内存池
char *buf1 = (char*)memory_pool_malloc(pool, 128);
char *buf2 = (char*)memory_pool_malloc(pool, 256);
char *buf3 = (char*)memory_pool_malloc(pool, 512);
...
memory_pool_free(pool, buf1);
...
memory_pool_free(pool, buf2);
...
memory_pool_free(pool, buf3);

在这个例子中，我们同样初始化了一个大小为1MB的内存池，但是因为每次分配的内存大小不同，所以在释放内存时就需要将相关的信息存储起来以备后用。虽然需要多一些内存块管理的开销，但是仍然比直接用malloc/free进行内存分配和释放更加高效。