C++中高性能内存池的实现详解

C/C++
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2023-06-05
C++面向对象中构造函数使用详解
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目录
  • 一、概述
  • 二、主函数设计
  • 三、模板链表栈
  • 四、设计内存池
  • 五、实现
  • 六、与 std::vector 的性能对比
  • 总结

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 <iostream>   // std::cout, std::endl
#include <cassert>    // assert()
#include <ctime>      // clock()
#include <vector>     // std::vector
#include "MemoryPool.hpp"  // MemoryPool<T>
#include "StackAlloc.hpp"  // StackAlloc<T, Alloc>
// 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<int> > 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) << "\n\n";
    // 使用内存池
    StackAlloc<int, MemoryPool<int> > 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) << "\n\n";
    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。

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。

#include <memory>
template <typename T>
struct 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<T> >
class StackAlloc
{
  public:
    // 使用 typedef 简化类型名
    typedef StackNode_<T> Node;
    typedef typename Alloc::template rebind<Node>::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

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

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
#include <memory>
template <typename T>
struct 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<T> >
class StackAlloc
{
  public:
    // 使用 typedef 简化类型名
    typedef StackNode_<T> Node;
    typedef typename Alloc::template rebind<Node>::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 <iostream>
#include <cassert>
#include <ctime>
#include <vector>
// #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<int> > 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) << "\n\n";
    // 使用内存池
    // StackAlloc<int, MemoryPool<int> > 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) << "\n\n";
    return 0;
}

四、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 <climits>
#include <cstddef>

template <typename T, size_t BlockSize = 4096>
class MemoryPool
{
  public:
    // 使用 typedef 简化类型书写
    typedef T*              pointer;

    // 定义 rebind<U>::other 接口
    template <typename U> struct rebind {
      typedef MemoryPool<U> 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
    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args);

    // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
    template <typename U>
    void 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。

五、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
template <typename U, typename... Args>
void construct(U* p, Args&&... args) {
    new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
}

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<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
    freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(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<void*>(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<pointer>(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<data_pointer_>(operator new(BlockSize));
      reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;
      currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(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<uintptr_t>(body);
      size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
      currentSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(body + bodyPadding);
      lastSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
    }
    return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);
  }
}

六、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::vector<int> stackVector;
    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) << "\n\n";

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。

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 <climits>
#include <cstddef>

template <typename T, size_t BlockSize = 4096>
class MemoryPool
{
  public:
    // 使用 typedef 简化类型书写
    typedef T*              pointer;

    // 定义 rebind<U>::other 接口
    template <typename U> struct rebind {
      typedef MemoryPool<U> 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<void*>(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<pointer>(freeSlots_);
        freeSlots_ = freeSlots_->next;
        return result;
      }
      else {
        if (currentSlot_ >= lastSlot_) {
          // 分配一个内存区块
          data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast<data_pointer_>(operator new(BlockSize));
          reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;
          currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock);
          data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);
          uintptr_t result = reinterpret_cast<uintptr_t>(body);
          size_t bodyPadding = (alignof(slot_type_) - result) % alignof(slot_type_);
          currentSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(body + bodyPadding);
          lastSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);
        }
        return reinterpret_cast<pointer>(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<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;
        freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);
      }
    }

    // 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板
    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args) {
      new (p) U (std::forward<Args>(args)...);
    }

    // 销毁内存池中的对象, 即调用对象的析构函数
    template <typename U>
    void 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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