在C++ 中实现高性能内存池
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一、概述
在 C/C++ 中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配? 分配失败了怎么办? 如何管理自身的内存使用情况? 等等一系列问题。在一个高可用的软件中，如果我们仅仅单纯的向操作系统去申请内存，当出现内存不足时就退出软件，是明显不合理的。正确的思路应该是在内存不足的时，考虑如何管理并优化自身已经使用的内存，这样才能使得软件变得更加可用。本次项目我们将实现一个内存池，并使用一个栈结构来测试我们的内存池提供的分配性能。最终，我们要实现的内存池在栈结构中的性能，要远高于使用 std::allocator 和 std::vector，如下图所示：
项目涉及的知识点
C++ 中的内存分配器 std::allocator
内存池技术
手动实现模板链式栈
链式栈和列表栈的性能比较
内存池简介
内存池是池化技术中的一种形式。通常我们在编写程序的时候回使用 new delete 这些关键字来向操作系统申请内存，而这样造成的后果就是每次申请内存和释放内存的时候，都需要和操作系统的系统调用打交道，从堆中分配所需的内存。如果这样的操作太过频繁，就会找成大量的内存碎片进而降低内存的分配性能，甚至出现内存分配失败的情况。
而内存池就是为了解决这个问题而产生的一种技术。从内存分配的概念上看，内存申请无非就是向内存分配方索要一个指针，当向操作系统申请内存时，操作系统需要进行复杂的内存管理调度之后，才能正确的分配出一个相应的指针。而这个分配的过程中，我们还面临着分配失败的风险。
所以，每一次进行内存分配，就会消耗一次分配内存的时间，设这个时间为 T，那么进行 n 次分配总共消耗的时间就是 nT；如果我们一开始就确定好我们可能需要多少内存，那么在最初的时候就分配好这样的一块内存区域，当我们需要内存的时候，直接从这块已经分配好的内存中使用即可，那么总共需要的分配时间仅仅只有 T。当 n 越大时，节约的时间就越多。
二、主函数设计
我们要设计实现一个高性能的内存池，那么自然避免不了需要对比已有的内存，而比较内存池对内存的分配性能，就需要实现一个需要对内存进行动态分配的结构（比如：链表栈），为此，可以写出如下的代码：
#include// std::cout, std::endl
#include// assert()
#include// clock()
#include// std::vector
#include "MemoryPool.hpp" // MemoryPool#include "StackAlloc.hpp" // StackAlloc// 插入元素个数
#define ELEMS 10000000
// 重复次数
#define REPS 100
int main()
{
clock_t start;
// 使用 STL 默认分配器
StackAlloc<int, std::allocator> stackDefault;
start = clock();
for (int j = 0; j < REPS; j++) {
assert(stackDefault.empty());
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackDefault.push(i);
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackDefault.pop();
}
std::cout << "Default Allocator Time: ";
std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "nn";
// 使用内存池
StackAlloc<int, MemoryPool> stackPool;
start = clock();
for (int j = 0; j < REPS; j++) {
assert(stackPool.empty());
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackPool.push(i);
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackPool.pop();
}
std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";
std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "nn";
return 0;
}在上面的两段代码中，StackAlloc 是一个链表栈，接受两个模板参数，第一个参数是栈中的元素类型，第二个参数就是栈使用的内存分配器。
因此，这个内存分配器的模板参数就是整个比较过程中唯一的变量，使用默认分配器的模板参数为 std::allocator，而使用内存池的模板参数为 MemoryPool。
std::allocator 是 C++标准库中提供的默认分配器，他的特点就在于我们在 使用 new 来申请内存构造新对象的时候，势必要调用类对象的默认构造函数，而使用 std::allocator 则可以将内存分配和对象的构造这两部分逻辑给分离开来，使得分配的内存是原始、未构造的。
1
下面我们来实现这个链表栈。
三、模板链表栈
栈的结构非常的简单，没有什么复杂的逻辑操作，其成员函数只需要考虑两个基本的操作：入栈、出栈。为了操作上的方便，我们可能还需要这样一些方法：判断栈是否空、清空栈、获得栈顶元素。
#includetemplatestruct StackNode_
{
T data;
StackNode_* prev;
};
// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器, 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器
template<typename T, typename Alloc = std::allocator>
class StackAlloc
{
public:
// 使用 typedef 简化类型名
typedef StackNode_Node;
typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
// 默认构造
StackAlloc() { head_ = 0; }
// 默认析构
~StackAlloc() { clear(); }
// 当栈中元素为空时返回 true
bool empty() {return (head_ == 0);}
// 释放栈中元素的所有内存
void clear();
// 压栈
void push(T element);
// 出栈
T pop();
// 返回栈顶元素
T top() { return (head_->data); }
private:
//
allocator allocator_;
// 栈顶
Node* head_;
};简单的逻辑诸如构造、析构、判断栈是否空、返回栈顶元素的逻辑都非常简单，直接在上面的定义中实现了，下面我们来实现 clear(), push() 和 pop() 这三个重要的逻辑：
// 释放栈中元素的所有内存
void clear() {
Node* curr = head_;
// 依次出栈
while (curr != 0)
{
Node* tmp = curr->prev;
// 先析构, 再回收内存
allocator_.destroy(curr);
allocator_.deallocate(curr, 1);
curr = tmp;
}
head_ = 0;
}
// 入栈
void push(T element) {
// 为一个节点分配内存
Node* newNode = allocator_.allocate(1);
// 调用节点的构造函数
allocator_.construct(newNode, Node());
// 入栈操作
newNode->data = element;
newNode->prev = head_;
head_ = newNode;
}
// 出栈
T pop() {
// 出栈操作 返回出栈元素
T result = head_->data;
Node* tmp = head_->prev;
allocator_.destroy(head_);
allocator_.deallocate(head_, 1);
head_ = tmp;
return result;
}至此，我们完成了整个模板链表栈，现在我们可以先注释掉 main() 函数中使用内存池部分的代码来测试这个连表栈的内存分配情况，我们就能够得到这样的结果：
在使用 std::allocator 的默认内存分配器中，在
#define ELEMS 10000000 #define REPS 100
12
的条件下，总共花费了近一分钟的时间。
如果觉得花费的时间较长，不愿等待，则你尝试可以减小这两个值
1
总结
本节我们实现了一个用于测试性能比较的模板链表栈，目前的代码如下。在下一节中，我们开始详细实现我们的高性能内存池。
// StackAlloc.hpp
#ifndef STACK_ALLOC_H
#define STACK_ALLOC_H
#includetemplatestruct StackNode_
{
T data;
StackNode_* prev;
};
// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器,
// 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器
template<class T, class Alloc = std::allocator>
class StackAlloc
{
public:
// 使用 typedef 简化类型名
typedef StackNode_Node;
typedef typename Alloc::template rebind::other allocator;
// 默认构造
StackAlloc() { head_ = 0; }
// 默认析构
~StackAlloc() { clear(); }
// 当栈中元素为空时返回 true
bool empty() {return (head_ == 0);}
// 释放栈中元素的所有内存
void clear() {
Node* curr = head_;
while (curr != 0)
{
Node* tmp = curr->prev;
allocator_.destroy(curr);
allocator_.deallocate(curr, 1);
curr = tmp;
}
head_ = 0;
}
// 入栈
void push(T element) {
// 为一个节点分配内存
Node* newNode = allocator_.allocate(1);
// 调用节点的构造函数
allocator_.construct(newNode, Node());
// 入栈操作
newNode->data = element;
newNode->prev = head_;
head_ = newNode;
}
// 出栈
T pop() {
// 出栈操作 返回出栈结果
T result = head_->data;
Node* tmp = head_->prev;
allocator_.destroy(head_);
allocator_.deallocate(head_, 1);
head_ = tmp;
return result;
}
// 返回栈顶元素
T top() { return (head_->data); }
private:
allocator allocator_;
Node* head_;
};
#endif // STACK_ALLOC_H// main.cpp
#include#include#include#include// #include "MemoryPool.hpp"
#include "StackAlloc.hpp"
// 根据电脑性能调整这些值
// 插入元素个数
#define ELEMS 25000000
// 重复次数
#define REPS 50
int main()
{
clock_t start;
// 使用默认分配器
StackAlloc<int, std::allocator> stackDefault;
start = clock();
for (int j = 0; j < REPS; j++) {
assert(stackDefault.empty());
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackDefault.push(i);
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackDefault.pop();
}
std::cout << "Default Allocator Time: ";
std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "nn";
// 使用内存池
// StackAlloc<int, MemoryPool> stackPool;
// start = clock();
// for (int j = 0; j < REPS; j++) {
// assert(stackPool.empty());
// for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
// stackPool.push(i);
// for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
// stackPool.pop();
// }
// std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";
// std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "nn";
return 0;
}二、设计内存池
在上一节实验中，我们在模板链表栈中使用了默认构造器来管理栈操作中的元素内存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()这些关键性的接口。所以为了让代码直接可用，我们同样应该在内存池中设计同样的接口：
#ifndef MEMORY_POOL_HPP
#define MEMORY_POOL_HPP
#include#includetemplateclass MemoryPool
{
public:
// 使用 typedef 简化类型书写
typedef T* pointer;
// 定义 rebind::other 接口
templatestruct rebind {
typedef MemoryPool other;
};
// 默认构造, 初始化所有的槽指针
// C++11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常
MemoryPool() noexcept {
currentBlock_ = nullptr;
currentSlot_ = nullptr;
lastSlot_ = nullptr;
freeSlots_ = nullptr;
}
// 销毁一个现有的内存池
~MemoryPool() noexcept;
// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0);
// 销毁指针 p 指向的内存区块
void deallocate(pointer p, size_t n = 1);
// 调用构造函数
templatevoid construct(U* p, Args&&... args);
// 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
templatevoid destroy(U* p) {
p->~U();
}
private:
// 用于存储内存池中的对象槽,
// 要么被实例化为一个存放对象的槽,
// 要么被实例化为一个指向存放对象槽的槽指针
union Slot_ {
T element;
Slot_* next;
};
// 数据指针
typedef char* data_pointer_;
// 对象槽
typedef Slot_ slot_type_;
// 对象槽指针
typedef Slot_* slot_pointer_;
// 指向当前内存区块
slot_pointer_ currentBlock_;
// 指向当前内存区块的一个对象槽
slot_pointer_ currentSlot_;
// 指向当前内存区块的最后一个对象槽
slot_pointer_ lastSlot_;
// 指向当前内存区块中的空闲对象槽
slot_pointer_ freeSlots_;
// 检查定义的内存池大小是否过小
static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};
#endif // MEMORY_POOL_HPP在上面的类设计中可以看到，在这个内存池中，其实是使用链表来管理整个内存池的内存区块的。内存池首先会定义固定大小的基本内存区块(Block)，然后在其中定义了一个可以实例化为存放对象内存槽的对象槽（Slot_）和对象槽指针的一个联合。然后在区块中，定义了四个关键性质的指针，它们的作用分别是：
currentBlock_: 指向当前内存区块的指针
currentSlot_: 指向当前内存区块中的对象槽
lastSlot_: 指向当前内存区块中的最后一个对象槽
freeSlots_: 指向当前内存区块中所有空闲的对象槽
梳理好整个内存池的设计结构之后，我们就可以开始实现关键性的逻辑了。
三、实现
MemoryPool::construct() 实现
MemoryPool::construct() 的逻辑是最简单的，我们需要实现的，仅仅只是调用信件对象的构造函数即可，因此：
// 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板
templatevoid construct(U* p, Args&&... args) {
new (p) U (std::forward(args)...);
}12345
MemoryPool::deallocate() 实现
MemoryPool::deallocate() 是在对象槽中的对象被析构后才会被调用的，主要目的是销毁内存槽。其逻辑也不复杂：
// 销毁指针 p 指向的内存区块
void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
if (p != nullptr) {
// reinterpret_cast 是强制类型转换符
// 要访问 next 必须强制将 p 转成 slot_pointer_
reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;
freeSlots_ = reinterpret_cast(p);
}
}MemoryPool::~MemoryPool() 实现
析构函数负责销毁整个内存池，因此我们需要逐个删除掉最初向操作系统申请的内存块：
// 销毁一个现有的内存池
~MemoryPool() noexcept {
// 循环销毁内存池中分配的内存区块
slot_pointer_ curr = currentBlock_;
while (curr != nullptr) {
slot_pointer_ prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast(curr));
curr = prev;
}
}MemoryPool::allocate() 实现
MemoryPool::allocate() 毫无疑问是整个内存池的关键所在，但实际上理清了整个内存池的设计之后，其实现并不复杂。具体实现如下：
// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
// 如果有空闲的对象槽，那么直接将空闲区域交付出去
if (freeSlots_ != nullptr) {
pointer result = reinterpret_cast(freeSlots_);
freeSlots_ = freeSlots_->next;
return result;
} else {
// 如果对象槽不够用了，则分配一个新的内存区块
if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
// 分配一个新的内存区块，并指向前一个内存区块
data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast(operator new(BlockSize));
reinterpret_cast(newBlock)->next = currentBlock_;
currentBlock_ = reinterpret_cast(newBlock);
// 填补整个区块来满足元素内存区域的对齐要求
data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
uintptr_t result = reinterpret_cast(body);
size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
currentSlot_ = reinterpret_cast(body + bodyPadding);
lastSlot_ = reinterpret_cast(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
}
return reinterpret_cast(currentSlot_++);
}
}四、与 std::vector 的性能对比
我们知道，对于栈来说，链栈其实并不是最好的实现方式，因为这种结构的栈不可避免的会涉及到指针相关的操作，同时，还会消耗一定量的空间来存放节点之间的指针。事实上，我们可以使用 std::vector 中的 push_back() 和 pop_back() 这两个操作来模拟一个栈，我们不妨来对比一下这个 std::vector 与我们所实现的内存池在性能上谁高谁低，我们在 主函数中加入如下代码：
// 比较内存池和 std::vector 之间的性能
std::vectorstackVector;
start = clock();
for (int j = 0; j < REPS; j++) {
assert(stackVector.empty());
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackVector.push_back(i);
for (int i = 0; i < ELEMS; i++)
stackVector.pop_back();
}
std::cout << "Vector Time: ";
std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "nn";这时候，我们重新编译代码，就能够看出这里面的差距了：
首先是使用默认分配器的链表栈速度最慢，其次是使用 std::vector 模拟的栈结构，在链表栈的基础上大幅度削减了时间。
std::vector 的实现方式其实和内存池较为类似，在 std::vector 空间不够用时，会抛弃现在的内存区域重新申请一块更大的区域，并将现在内存区域中的数据整体拷贝一份到新区域中。
1
最后，对于我们实现的内存池，消耗的时间最少，即内存分配性能最佳，完成了本项目。
总结
本节中，我们实现了我们上节实验中未实现的内存池，完成了整个项目的目标。 这个内存池不仅精简而且高效，整个内存池的完整代码如下：
#ifndef MEMORY_POOL_HPP
#define MEMORY_POOL_HPP
#include#includetemplateclass MemoryPool
{
public:
// 使用 typedef 简化类型书写
typedef T* pointer;
// 定义 rebind::other 接口
templatestruct rebind {
typedef MemoryPool other;
};
// 默认构造
// C++11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常
MemoryPool() noexcept {
currentBlock_ = nullptr;
currentSlot_ = nullptr;
lastSlot_ = nullptr;
freeSlots_ = nullptr;
}
// 销毁一个现有的内存池
~MemoryPool() noexcept {
// 循环销毁内存池中分配的内存区块
slot_pointer_ curr = currentBlock_;
while (curr != nullptr) {
slot_pointer_ prev = curr->next;
operator delete(reinterpret_cast(curr));
curr = prev;
}
}
// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略
pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0) {
if (freeSlots_ != nullptr) {
pointer result = reinterpret_cast(freeSlots_);
freeSlots_ = freeSlots_->next;
return result;
}
else {
if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
// 分配一个内存区块
data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast(operator new(BlockSize));
reinterpret_cast(newBlock)->next = currentBlock_;
currentBlock_ = reinterpret_cast(newBlock);
data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
uintptr_t result = reinterpret_cast(body);
size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
currentSlot_ = reinterpret_cast(body + bodyPadding);
lastSlot_ = reinterpret_cast(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
}
return reinterpret_cast(currentSlot_++);
}
}
// 销毁指针 p 指向的内存区块
void deallocate(pointer p, size_t n = 1) {
if (p != nullptr) {
reinterpret_cast(p)->next = freeSlots_;
freeSlots_ = reinterpret_cast(p);
}
}
// 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板
templatevoid construct(U* p, Args&&... args) {
new (p) U (std::forward(args)...);
}
// 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
templatevoid destroy(U* p) {
p->~U();
}
private:
// 用于存储内存池中的对象槽
union Slot_ {
T element;
Slot_* next;
};
// 数据指针
typedef char* data_pointer_;
// 对象槽
typedef Slot_ slot_type_;
// 对象槽指针
typedef Slot_* slot_pointer_;
// 指向当前内存区块
slot_pointer_ currentBlock_;
// 指向当前内存区块的一个对象槽
slot_pointer_ currentSlot_;
// 指向当前内存区块的最后一个对象槽
slot_pointer_ lastSlot_;
// 指向当前内存区块中的空闲对象槽
slot_pointer_ freeSlots_;
// 检查定义的内存池大小是否过小
static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");
};
#endif // MEMORY_POOL_HPP
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