C++手写内存池

引言

使用new expression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。

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原因

在实例化某个类的对象时（在heap而不是stack中），若不使用array new，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，array new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class staic变量的形式存储。组织形式如下：

实现代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i):data(i){}
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    DemoClass *next;
    int data;
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存
        size_t pool_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_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]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(int i = 0;i < POOL_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;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(void* p){
    DemoClass* tmp = (DemoClass*) p;
    tmp -> next = freeMemHeader;
    freeMemHeader = tmp;
}

测试代码如下：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i);
        cout << "address of the ith demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

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new expression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：

• int data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：

#include <iostream>
using namespace std;
class DemoClass{
public:
    DemoClass() = default;
    DemoClass(int i, double p){
        data.num = i;
        data.price = p;
    }
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *);
    virtual ~DemoClass(){}
private:
    struct DemoData{
        int num;
        double price;
    };
private:
    static DemoClass *freeMemHeader;
    static const size_t POOL_SIZE;
    union {
        DemoClass *next;
        DemoData data;
    };

};
DemoClass * DemoClass::freeMemHeader = nullptr;
const size_t DemoClass::POOL_SIZE = 24;//设定内存池能容纳24个DemoClass对象
void* DemoClass::operator new(size_t size){
    DemoClass* p;
    if(!freeMemHeader){//freeMemHeader为空，内存池中无空间，分配内存
        size_t pool_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_cast<DemoClass*>(new char[pool_mem_bytes]);//new char[]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(int i = 0;i < POOL_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;
    return p;
}
void DemoClass::operator delete(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：

int main(int argc, char* argv[]){
    cout << "sizeof(DemoClass):" << sizeof(DemoClass) << endl;
    size_t N = 32;
    DemoClass* demos[N];
    for(int i = 0; i < N; ++i){
        demos[i] = new DemoClass(i, i * i);
        cout << "address of the " << i << "th demo:" << demos[i] << endl;
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

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（int 4字节、double 8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

细心的读者可能会发现，前面的那两种方案都有共同的小缺陷，即当程序一直实例化而不析构时，内存池会向操作系统申请多次大块内存，而当这些对象一起回收时，内存池中的剩余桶数会远大于设定的POOL_SIZE的大小，这个峰值多大取决于类实例化和回收的时机。

另外，内存池中的内存暂时不会回收给操作系统，峰值很大可能会对内存分配带来一些影响，不过这却不属于内存泄漏。在以后的文章中，我们可能会讨论一些性能更好的内存分配方案。

参考资料

[1] Effective C++ 3/e

[2] C++ Primer 5/e

[3] 侯捷老师的内存管理课程