模拟linux文件系统的设计及实现_Linux后台服务器开发中，内存池设计与实现（c/c++）...

一、前言

作为C++程序员，想必对于内存操作这一块是比较熟悉和操作比较频繁的；

比如申请一个对象，使用new，申请一块内存使用malloc等等；

但是，往往会有一些困扰烦恼着大家，主要体现在两部分：

申请内存后忘记释放，造成内存泄漏
内存不能循环使用，造成大量内存碎片

这两个原因会影响我们程序长期平稳的运行，也有可能会导致程序的崩溃；

二、内存池

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。
---引用来源互联网

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三、内存池设计

内存池设计实现中主要分为以下几部分：

重载new
创建内存节点
创建内存池
管理内存池

下面，比较详细的来说说设计细节：

重载new就不说了，直接从内存节点开始；

内存池节点

内存池节点需要包含以下几点元素：

所属池子（pMem），因为后续在内存池管理中可以直接调用申请内存和释放内存
下一个节点（pNext），这里主要是使用链表的思路，将所有的内存块关联起来；
节点是否被使用（bUsed），这里保证每次使用前，该节点是没有被使用的；
是否属于内存池（bBelong），主要是一般内存池维护的空间都不是特别大，但是用户申请了特别大的内存时，就走正常的申请流程，释放时也就正常释放；

内存池设计

内存池设计就是上面的图片类似，主要包含以下几点元素：

内存首地址（ _pBuffer），也就是第一块内存，这样以后方面寻找后面的内存块；
内存块头（ _pHeader），也就是上面说的内存池节点；
内存块大小（ _nSize），也就是每个节点多大；
节点数（ _nBlock），及时有多少个节点；

这里面需要的注意的是，申请内存块的时候，需要加上节点头，但是申请完后返回给客户使用的需要去掉头；但是释放的时候，需要前移到头，不然就会出现异常；

释放内存：

释放内存的时候，将使用过的内存置为false，然后指向头部，将头部作为下一个节点，这样的话，节点每次回收就可以相应的被找到；

内存池管理

内存池创建后，会根据节点大小和个数创建相应的内存池；

内存池管理主要就是根据不同的需求创建不同的内存池，以达到管理的目的；

这里主要有一个概念：数组映射

数组映射就是不同的范围内，选择不同的内存池；

添一段代码：

 void InitArray(int nBegin,int nEnd, MemoryPool*pMemPool){for (int i = nBegin; i <= nEnd; i++){_Alloc[i] = pMemPool;}}

根据范围进行绑定；

四、内存池实现

ManagerPool.hpp

#ifndef _MEMORYPOOL_HPP_
#define _MEMORYPOOL_HPP_#include <iostream>
#include <mutex>一个内存块的最大内存大小,可以扩展
#define MAX_MEMORY_SIZE 256class MemoryPool;//内存块
struct MemoryBlock
{MemoryBlock* pNext;//下一块内存块bool bUsed;//是否使用bool bBelong;//是否属于内存池MemoryPool* pMem;//属于哪个池子
};class MemoryPool
{
public:MemoryPool(size_t nSize=128,size_t nBlock=10){//相当于申请10块内存，每块内存是1024_nSize = nSize;_nBlock = nBlock;_pHeader = NULL;_pBuffer = NULL;}virtual ~MemoryPool(){if (_pBuffer != NULL){free(_pBuffer);}}//申请内存void* AllocMemory(size_t nSize){std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);//如果首地址为空，说明没有申请空间if (_pBuffer == NULL){InitMemory();}MemoryBlock* pRes = NULL;//如果内存池不够用时，需要重新申请内存if (_pHeader == NULL){pRes = (MemoryBlock*)malloc(nSize+sizeof(MemoryBlock));pRes->bBelong = false;pRes->bUsed = false;pRes->pNext = NULL;pRes->pMem = NULL;}else{pRes = _pHeader;_pHeader = _pHeader->pNext;pRes->bUsed = true;}//返回只返回头后面的信息return ((char*)pRes + sizeof(MemoryBlock));}//释放内存void FreeMemory(void* p){std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);//和申请内存刚好相反，这里需要包含头，然后全部释放MemoryBlock* pBlock = ((MemoryBlock*)p - sizeof(MemoryBlock));if (pBlock->bBelong){pBlock->bUsed = false;//循环链起来pBlock->pNext = _pHeader;pBlock = _pHeader;}else{//不属于内存池直接释放就可以free(pBlock);}}//初始化内存块void InitMemory(){if (_pBuffer)return;//计算每块的大小size_t PoolSize = _nSize + sizeof(MemoryBlock);//计算需要申请多少内存size_t BuffSize = PoolSize * _nBlock;_pBuffer = (char*)malloc(BuffSize);//初始化头_pHeader = (MemoryBlock*)_pBuffer;_pHeader->bUsed = false;_pHeader->bBelong = true;_pHeader->pMem = this;//初始化_nBlock块，并且用链表的形式连接//保存头指针MemoryBlock* tmp1 = _pHeader;for (size_t i = 1; i < _nBlock; i++){MemoryBlock* tmp2 = (MemoryBlock*)(_pBuffer + i*PoolSize);tmp2->bUsed = false;tmp2->pNext = NULL;tmp2->bBelong = true;_pHeader->pMem = this;tmp1->pNext = tmp2;tmp1 = tmp2;}}
public://内存首地址（第一块内存的地址）char* _pBuffer;//内存块头MemoryBlock* _pHeader;//内存块大小size_t _nSize;//多少块size_t _nBlock;std::mutex _mutex;
};//可以使用模板传递参数
template<size_t nSize,size_t nBlock>
class MemoryPoolor:public MemoryPool
{
public:MemoryPoolor(){_nSize = nSize;_nBlock = nBlock;}};//需要重新对内存池就行管理
class ManagerPool
{
public:static ManagerPool& Instance(){static ManagerPool memPool;return memPool;}void* AllocMemory(size_t nSize){if (nSize < MAX_MEMORY_SIZE){return _Alloc[nSize]->AllocMemory(nSize);}else{MemoryBlock* pRes = (MemoryBlock*)malloc(nSize + sizeof(MemoryBlock));pRes->bBelong = false;pRes->bUsed = true;pRes->pMem = NULL;pRes->pNext = NULL;return ((char*)pRes + sizeof(MemoryBlock));}}//释放内存void FreeMemory(void* p){MemoryBlock* pBlock = (MemoryBlock*)((char*)p - sizeof(MemoryBlock));//释放内存池if (pBlock->bBelong){pBlock->pMem->FreeMemory(p);}else{free(pBlock);}}private:ManagerPool(){InitArray(0,128, &_memory128);InitArray(129, 256, &_memory256);}~ManagerPool(){}void InitArray(int nBegin,int nEnd, MemoryPool*pMemPool){for (int i = nBegin; i <= nEnd; i++){_Alloc[i] = pMemPool;}}//可以根据不同内存块进行分配MemoryPoolor<128, 1000> _memory128;MemoryPoolor<256, 1000> _memory256;//映射数组MemoryPool* _Alloc[MAX_MEMORY_SIZE + 1];
};
#endif

OperatorMem.hpp

#ifndef _OPERATEMEM_HPP_
#define _OPERATEMEM_HPP_#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include "MemoryPool.hpp"void* operator new(size_t nSize)
{return ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}void operator delete(void* p)
{return ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}void* operator new[](size_t nSize)
{return ManagerPool::Instance().AllocMemory(nSize);
}void operator delete[](void* p)
{return ManagerPool::Instance().FreeMemory(p);
}#endif

mian.cpp

#include "OperateMem.hpp"using namespace std;int main()
{char* p = new char[128];delete[] p;return 0;
}