内存池：申请内存与释放内存

1、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。

如上面两张图，一个内存池由若干个内存块组成，一个内存块由若干个内存单元组成(即链表节点)。

2、内存池的代码实现
内存池类MemoryPool的声明如下：

//MemoryPool.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
template<int ObjectSize, int NumofObjects = 20>
class MemPool
{
private://空闲节点结构体struct FreeNode{FreeNode* pNext;       //指向下一个空闲节点的指针char data[ObjectSize]; //节点内容};//内存块结构体struct MemBlock{MemBlock* pNext;            //指向下一个内存块的指针int nFree;                  //该内存块空闲节点的数量FreeNode data[NumofObjects];//内存节点数组FreeNode* freeNodeHeader;   //空闲节点头指针};
public:MemPool(){freeNodeHeader = NULL;memBlockHeader = NULL;}~MemPool(){MemBlock* ptr;while (memBlockHeader) //删除所有的空闲块指针{ptr = memBlockHeader->pNext;delete memBlockHeader;memBlockHeader = ptr;}}void* malloc();          //向内存池申请内存void free(void*);        //从内存池释放内存
private:MemBlock* memBlockHeader; //空闲内存块头指针
};

内存池类MemoryPool的实现如下：

//MemoryPool.cpp
#include"MemoryPool.h"
//分配空闲的节点
template<int ObjectSize, int NumofObjects>
void* MemPool<ObjectSize, NumofObjects>::malloc()
{void* freeNode;if (!memBlockHeader){//内存池当前内存块链表为空，说明是第一次内存申请MemBlock* newBlock = new MemBlock;     //分配新的内存块，即分配20个内存单元newBlock->pNext = NULL;                //无下一个空闲块newBlock->nFree = NumofObjects;        //空闲节点数量memBlockHeader = newBlock;             //空闲块头指针freeNodeHeader= &newBlock->data[0];    //设置内存块的第一个节点为空闲节点链表的首节点//将内存块的其它节点串起来(初始化内存块)for (int i = 1; i < NumofObjects; ++i){newBlock->data[i - 1].pNext = &newBlock->data[i];}newBlock->data[NumofObjects - 1].pNext = NULL;}MemBlock *myBlock = memBlockHeader;        //当前内存块为内存块头链表指针指向的内存块while (myBlock &&!myBlock->nFree)          //寻找有空闲节点的内存块myBlock = myBlock->pNext;              //继续在下一个空闲块中查找if (myBlock){//存在有空闲节点的内存块memBlockHeader = myBlock;             //更新空闲块头指针}else{//当前不存在有空闲节点的内存块,需要再次申请分配内存MemBlock* newBlock = new MemBlock;     //分配新的内存块，即分配20个内存单元newBlock->nFree = NumofObjects;        //空闲节点数量freeNodeHeader = &newBlock->data[0];   //设置内存块的第一个节点为空闲节点链表的首节点//将内存块的其它节点串起来(初始化内存块)for (int i = 1; i < NumofObjects; ++i){newBlock->data[i - 1].pNext = &newBlock->data[i];}newBlock->data[NumofObjects - 1].pNext = NULL;//将新内存块加入到内存块链表newBlock->pNext = memBlockHeader;   //头插法memBlockHeader = newBlock;}//返回空节点闲链表的第一个节点void* freeNode = freeNodeHeader;freeNodeHeader = freeNodeHeader->pNext;memBlockHeader->nFree--;               //当前内存块空闲内存节点减一   return freeNode;
}
//释放已经分配的节点
template<int ObjectSize, int NumofObjects>
void MemPool<ObjectSize, NumofObjects>::free(void* p)
{MemoryBlock* pMyBlock = memBlockHeader;bool bIsExist = false;//判断p是否属于内存池while (pMyBlock){bIsExist = false;for (int i = 0; i < NumofObjects; i++){if (p == pMyBlock->newBlock->data[i]){bIsExist = true;break;}}if (bIsExist)break;pMyBlock = pMyBlock->pNext;}if (!bIsExist)//p不属于线程池delete p; //将其回收给进程堆else{FreeNode* pNode = (FreeNode*)p;pNode->pNext = freeNodeHeader; //将释放的节点插入空闲节点头部pNode->nFree--;                 //该内存块空闲节点数量减1freeNodeHeader = pNode;}
}

3、参考资源
C++ 应用程序性能优化，第 6 章：内存池：
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-ppp/index6.html
C++ 内存池介绍与经典内存池的实现：
https://blog.csdn.net/K346K346/article/details/49538975?utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromMachineLearnPai2-1.nonecase

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