C++手写内存池的案例详解

第C++手写内存池的案例详解使用newexpression为类的多个实例分配动态内存时，cookie导致内存利用率可能不高，此时我们通过实现类的内存池来降低overhead。从不成熟到巧妙优化的内存池，得益于union的分时复用特性，内存利用率得到了提高。

在实例化某个类的对象时（在heap而不是stack中），若不使用arraynew，则每次实例化时都要调用一次内存分配函数，类的每个实例在内存中都有上下两个cookie，从而降低了内存的利用率。然而，arraynew也有先天的缺陷，即只能调用默认无参构造函数，这对于很多没有提供无参构造函数的类来说是不合适的。

因此，我们可以对于一个没有实例化的类第一次实例化时，先分配一大块内存（内存池），这一大块内存记录在类中，只有上下两个cookie，能够容纳多个实例。后续实例化时，若内存池中还有剩余内存，则不必申请内存分配，只在内存池中分配。内存回收时，将实例所占用的内存回收到内存池中。若内存池中无内存，则再申请分配大块内存。

脱裤子放屁方案

我们以链表的形式组织内存池，内存池中每个一个链表是一个小桶，这个桶中装我们实例化的对象。

内存池链表的头结点记录在类中，即以classstaic变量的形式存储。组织形式如下：

实现代码如下：

#includeiostream

usingnamespacestd;

classDemoClass{

public:

DemoClass()=default;

DemoClass(inti):data(i){}

staticvoid*operatornew(size_tsize);

staticvoidoperatordelete(void*);

virtual~DemoClass(){}

private:

DemoClass*next;

intdata;

staticDemoClass*freeMemHeader;

staticconstsize_tPOOL_SIZE;

DemoClass*DemoClass::freeMemHeader=nullptr;

constsize_tDemoClass::POOL_SIZE=24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象

void*DemoClass::operatornew(size_tsize){

DemoClass*p;

if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存

size_tpool_mem_bytes=size*POOL_SIZE;//内存池的字节大小=每个实例的大小（字节数）*内存池中能容纳的最大实例数

freeMemHeader=reinterpret_castDemoClass*(newchar[pool_mem_bytes]);//newchar[]分配pool_mem_bytes个字节，因为每个char占用1个字节

cout"Info:向操作系统申请了"pool_mem_bytes"字节的内存。"endl;

for(inti=0;iPOOL_SIZE-1;++i){//将内存池中POOL_SIZE个小块内存,串起来。

freeMemHeader[i].next=freeMemHeader[i+1];

freeMemHeader[POOL_SIZE-1].next=nullptr;

p=freeMemHeader;//取内存池（链表）的头部，分配给要实例化的对象

cout"Info:从内存池中取了"size"字节的内存。"endl;

freeMemHeader=freeMemHeader-next;//从内存池中删去取出的那一小块地址，即更新内存池

p-next=nullptr;

returnp;

voidDemoClass::operatordelete(void*p){

DemoClass*tmp=(DemoClass*)p;

tmp-next=freeMemHeader;

freeMemHeader=tmp;

}

测试代码如下：

intmain(intargc,char*argv[]){

cout"sizeof(DemoClass):"sizeof(DemoClass)endl;

size_tN=32;

DemoClass*demos[N];

for(inti=0;i++i){

demos[i]=newDemoClass(i);

cout"addressoftheithdemo:"demos[i]endl;

coutendl;

return0;

}

其结果如下：

可以看到每个DemoClass的实例大小为24字节，内存池一次从操作系统中申请了576个字节的内存，这些内存可以容纳24个实例。上面显示出了每个实例的内存地址，内存池中相邻实例的内存首地址之差为24，即实例的大小，证明了一个内存池的实例之间确实没有cookie。

当内存池中内存用完后，又向操作系统申请了576个字节的内存。

由此，只有每个内存池两侧有cookie，而内存池中的实例不存在cookie，相比于每次调用newexpression实例化对象都有cookie，内存池的组织形式确实在形式上提高了内存利用率。

那么，有什么问题么？

sizeof(DemoClass)等于24：

intdata数据域占4个字节

两个构造函数一个析构函数各占4字节，共12字节

额外的指针DemoClass*，在64位机器上，占8个字节

这样一个DemoClass的大小确实是24字节。wait，what

我们为了解决cookie带来的内存浪费，引入了指针next，但却又引入了8个字节的overhead，脱裤子放屁，多此一举？

这样看来确实没有达到要求，但至少为我们提供了一种思路，不是么？

分时复用改进方案

首先我们先回忆下c++中的Union:

在任意时刻，联合中只能有一个数据成员可以有值。当给联合中某个成员赋值之后，该联合中的其它成员就变成未定义状态了。

结合我们之前不成熟的内存池，我们发现，当内存池中的桶还没有被分配给实例时，只有next域有用，而当桶被分配给实例后，next域就没什么用了；当桶被回收时，数据域变无用而next指针又需要用到。这不正是union的特性么？

看一下代码实现：

#includeiostream

usingnamespacestd;

classDemoClass{

public:

DemoClass()=default;

DemoClass(inti,doublep){

data.num=i;

data.price=p;

staticvoid*operatornew(size_tsize);

staticvoidoperatordelete(void*);

virtual~DemoClass(){}

private:

structDemoData{

intnum;

doubleprice;

private:

staticDemoClass*freeMemHeader;

staticconstsize_tPOOL_SIZE;

union{

DemoClass*next;

DemoDatadata;

DemoClass*DemoClass::freeMemHeader=nullptr;

constsize_tDemoClass::POOL_SIZE=24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象

void*DemoClass::operatornew(size_tsize){

DemoClass*p;

if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存

size_tpool_mem_bytes=size*POOL_SIZE;//内存池的字节大小=每个实例的大小（字节数）*内存池中能容纳的最大实例数

freeMemHeader=reinterpret_castDemoClass*(newchar[pool_mem_bytes]);//newchar[]分配pool_mem_bytes个字节，因为每个char占用1个字节

cout"Info:向操作系统申请了"pool_mem_bytes"字节的内存。"endl;

for(inti=0;iPOOL_SIZE-1;++i){//将内存池中POOL_SIZE个小块内存,串起来。

freeMemHeader[i].next=freeMemHeader[i+1];

freeMemHeader[POOL_SIZE-1].next=nullptr;

p=freeMemHeader;//取内存池（链表）的头部，分配给要实例化的对象

cout"Info:从内存池中取了"size"字节的内存。"endl;

freeMemHeader=freeMemHeader-next;//从内存池中删去取出的那一小块地址，即更新内存池

p-next=nullptr;

returnp;

voidDemoClass::operatordelete(void*p){

DemoClass*tmp=(DemoClass*)p;

tmp-next=freeMemHeader;

freeMemHeader=tmp;

对比前一种实现代码，只是构造函数、数据域和指针域的组织形式发生了变化：

由于数据域增加了price项，构造函数中也增加了对应的参数

数据域被集成定义成一个类自定义struct类型

数据域和指针域被组织为union

测试代码依旧：

intmain(intargc,char*argv[]){

cout"sizeof(DemoClass):"sizeof(DemoClass)endl;

size_tN=32;

DemoClass*demos[N];

for(inti=0;i++i){

demos[i]=newDemoClass(i,i*i);

cout"addressofthe"i"thdemo:"demos[i]endl;

coutendl;

return0;

}

结果：

可以看到每个DemoClass的实例大小为24字节，一个内存池的实例之间没有cookie。

分析一下sizeof(DemoClass)等于24的缘由：

data数据域占12个字节（int4字节、double8字节）。

两个构造函数一个析构函数各占4字节，共12字节。

指针DemoClass，在64位机器上，占8个字节，但由于和数据域使用了union，data数据域12个字节中的前8个字节在适当的时机被看作DemoClass，而不占用额外空间，消除了overhead。

这样一个DemoClass的大小确实是24字节。利用union的分时复用特性，我们消除了初步方案中指针带来的脱裤子放屁效果。

另外的思考

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