内存池的实现(一)

1.引言

　　C/C++下内存管理是让几乎每个程序员头疼的问题，分配足够的内存、追踪内存的分配、在不须要的时候释放内存——这个任务至关复杂。而直接使用系统调用malloc/free、new/delete进行内存分配和释放，有如下弊端：

　　　　A.调用malloc/new,系统须要根据“最早匹配”、“最优匹配”或其余算法在内存空闲块表中查找一块空闲内存，调用free/delete,系统可能须要合并空闲内存块，这些会产生额外开销

　　　　B.频繁使用时会产生大量内存碎片，从而下降程序运行效率

　　　　C.容易形成内存泄漏

　　内存池（memory pool)是代替直接调用malloc/free、new/delete进行内存管理的经常使用方法，当咱们申请内存空间时，首先到咱们的内存池中查找合适的内存块，而不是直接向操做系统申请，优点在于：

　　　　A.比malloc/free进行内存申请/释放的方式快

　　　　B.不会产生或不多产生堆碎片

　　　　C.可避免内存泄漏

2.内存池设计

　　看到内存池好处这么多，是否是恨不能立刻抛弃malloc/free，投奔内存池的怀抱呢？且慢，在咱们本身动手实现内存池以前还须要明确如下几个问题：

　　　　A.内存池的空间如何得到？是程序启动时分配一大块空间仍是程序运行中按需求分配？

　　　　B.内存池对到来的内存申请，有没有大小的限制？若是有，最小可申请的内存块为多大，最大的呢？

　　　　C.如何合理设计内存块结构，方便咱们进行内存的申请、追踪和释放呢？

　　　　D.内存池占用越多空间，相对应其余程序能使用的内存就越少，是否要设定内存池空间的上限？设定为多少合适呢？

　　带着以上问题，咱们来看如下一种内存池设计方案。

3.内存池实现方案一

　　从这里下载该内存池实现的源码。

　　首先给出该方案的总体架构，以下：

　　　　　　　　　　　　　　　　图1.内存池架构图

　　结构中主要包含block、list 和pool这三个结构体，block结构包含指向实际内存空间的指针，前向和后向指针让block可以组成双向链表；list结构中free指针指向空闲 内存块组成的链表，used指针指向程序使用中的内存块组成的链表，size值为内存块的大小，list之间组成单向链表；pool结构记录list链表的头和尾。

4.内存跟踪策略

　　该方案中，在进行内存分配时，将多申请12个字节，即实际申请的内存大小为所需内存大小+12。在多申请的12个字节中，分别存放对应的list指针（4字节）、used指针（4字节）和校验码（4字节）。经过这样设定，咱们很容易获得该块内存所在的list和block，校验码起到粗略检查是否出错的做用。该结构图示以下：

　　　　　　　　　　　　图2.内存块申请示意图

图中箭头指示的位置为内存块真正开始的位置。

5.内存申请和释放策略

5.1 申请

　　申请：根据所申请内存的大小，遍历list链表，查看是否存在相匹配的size；

　　　　A.存在匹配size：查看free时候为NULL

　　　　　　free为NULL：使用malloc/new申请内存，并将其置于used所指链表的尾部

　　　　　　free不为NULL：将free所指链表的头结点移除，放置于used所指链表的尾部

　　　　B.不存在匹配size：新建list，使用malloc/new申请内存，并将其置于该list的used所指链表尾部

　　　　　　返回内存空间指针

5.2 释放

　　释放：根据内存跟踪策略，获取list指针和used指针，将其从used指针所指的链表中删除，放置于free指针所指向的链表

6.对方案一的分析

　　对照“内存池设计”一节中提出的问题，咱们的方案一有如下特色：

　　　　A.程序启动后内存池并无内存块，到程序真正进行内存申请和释放的时候才接管内存块管理；

　　　　B.该内存池对到来的申请，对申请大小并不作限制，其为每一个size值建立链表进行内存管理；

　　　　C.该方案没有提供限定内存池大小的功能

　　结合分析，能够得出该方案应用场景以下：程序所申请的内存块大小比较固定（好比只申请/释放1024bytes或2048bytes的内存），申请和释放的频率基本保持一致（因申请多而释放少会占用过多内存，最终致使系统崩溃）。

 　　这篇文章讲解了内存管理的基本知识，以一个简单的内存池实现例子做为敲门砖，引领你们认识内存池，下一篇为内存池进阶文章，讲解apache服务器中内存池的实现方法。

 

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