C++ 实现一个简单内存池

在使用内存池进行内存管理之前，通常使用new/malloc或者delete/free来申请或者释放内存。在这个过程中，系统要首先查找内部维护的内存空闲块表，并且需要根据比如LRU等内存分配算法找到合适大小的空闲内存块。如果该空闲内存块过大，还需要切割成已分配的部分和较小的空闲块。然后系统更新内存空闲块表，完成一次内存分配。类似地，在释放内存时，系统把释放的内存块重新加入到空闲内存块表中。如果有可能的话，可以把相邻的空闲块合并成较大的空闲块。默认的内存管理函数还考虑到多线程的应用，需要在每次分配和释放内存时加锁，同样增加了开销。

由此可见，当申请的内存块大小不定，申请和释放时间也不相同。所以这个堆（连续的整个内存块）会形成零零散散的情况（称为内存碎片）。当频繁使用时会造成大量的内存碎片并进而降低性能；并且在堆中分配内存时，需要查询查询已分配链表和空闲块链表，查询这两张表需要时间，所以如果申请和释放堆内存比较频繁的话，会比较浪费时间。基于上面两点，考虑使用内存池的方式，进行内存块的管理，减小分配和回收的开销。

内存池实现的步骤：

（1）首先申请一块空间当做初始的内存池，这块空间容纳一部分对象。
（2）定义一个内存节点为一块链表空间加上指向下一块链表节点的指针，即Memory Node。各个空闲的内存节点通过指针形成一个链表，链表的每一个内存节点都是一块可供分配的内存空间；
（3）定义一个指针freeNodeHeader为可用的空闲结点的头指针。每当一块MemoryNode被分配出去，FreeNodeHeader下移，那么这块空间就认为被占用了。
（4）一个MemoryNode被回收，那么就重新放入FreeNodeHeader指向的链表首位，也就是重新加入空闲链表。

（5）如果空闲区不够用了，那么新建一个内存块，内存块上有新的内存节点，接着进行分配就行。这也就体现出了“内存池”的作用。

如上图所示，内存块有指针指向这个内存块的真正可以分配的内存空间，也就是MemoryNode。BlockHeader用于指向第一个内存块，方便对内存块进行管理。FreeNodeHeader用于真正管理内存节点。每次分配的时候，FreeNodeHeader下移一位，表示这个节点被分配出去了。当归还一个节点，则上移一位，把这个节点插入链表中就可以了。

实现的源代码：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<string>
#include<pthread.h>
using namespace std;template<int ObjectSize, int NumofObjects = 20>
class MemPool
{
private:pthread_mutex_t mutex;//注意如果是多线程需要加锁//memory block内存块结构体struct MemBlock{MemBlock* pNext;FreeNode data[NumofObjects];};//freeNode空闲节点结struct FreeNode{FreeNode* pNext;char data[ObjectSize];};FreeNode* freeNodeHeader;MemBlock* memBlockHeader;public:MemPool(){freeNodeHeader = NULL;memBlockHeader = NULL;}// 内存池析构函数，删除每一个内存块节点~MemPool(){MemBlock* ptr;while (memBlockHeader){ptr = memBlockHeader->pNext;delete memBlockHeader;memBlockHeader = ptr;}}//用于分配一个可用的空闲结点void* malloc();//回收一个空闲结点void free(void*);
};//分配空闲的节点
template<int ObjectSize, int NumofObjects>
void* MemPool<ObjectSize, NumofObjects>::malloc()
{//加锁pthread_mutex_lock(&mutex);//无空闲节点，可能是第一次申请，也可能是之前申请的都用完了if (freeNodeHeader == NULL){MemBlock* newBlock = new MemBlock;newBlock->pNext = NULL;//freeNodeHeader指向内存块的第一个空闲区freeNodeHeader = &newBlock->data[0];     //将这个内存块的所有空闲结点串起来for (int i = 1; i < NumofObjects; ++i){newBlock->data[i - 1].pNext = &newBlock->data[i];}newBlock->data[NumofObjects - 1].pNext = NULL;//首次申请内存块，那么他就是第一块if (memBlockHeader == NULL){memBlockHeader = newBlock;}else{//将新内存块加入到内存块链表头部//其实插入尾部也可以，本身看有没有空闲内存块只要看FreeNodeHeader是不是空就行，所以对于menBlockHeader并没有前后之分newBlock->pNext = memBlockHeader;memBlockHeader = newBlock;}}//返回空节点闲链表的第一个节点void* freeNode = freeNodeHeader;freeNodeHeader = freeNodeHeader->pNext;//去锁pthread_mutex_unlock(&mutex);return freeNode;
}//释放已经分配的节点，直接插入freeNode队首即可
template<int ObjectSize, int NumofObjects>
void MemPool<ObjectSize, NumofObjects>::free(void* p)
{//先加锁pthread_mutex_lock(&mutex);FreeNode* pNode = (FreeNode*)p;pNode->pNext = freeNodeHeader; //将释放的节点插入空闲节点头部freeNodeHeader = pNode;pthread_mutex_unlock(&mutex);
}//我们用到的用于向内存池申请空间的类
class ActualClass
{static int count;int No;public:ActualClass(){No = count;count++;}void print(){cout << this << ": ";cout << "the " << No << "th object" << endl;}//向内存池申请和删除空间的方法void* operator new(size_t size);void operator delete(void* p);
};//定义内存池对象
MemPool<sizeof(ActualClass), 2> mp;//申请一块大小为sizeof(ActualClass)大小的空间，返回指针指向这块空间
void* ActualClass::operator new(size_t size)
{return mp.malloc();
}//删除这块申请的空间
void ActualClass::operator delete(void* p)
{mp.free(p);
}int ActualClass::count = 0;//测试内存池的函数
void AchieveMemPool(){//申请一块sizeof(ActualClass)大小的内存空间，指针p1指向这块空间ActualClass* p1 = new ActualClass;p1->print();//同样申请一块sizeof(ActualClass)大小的内存空间ActualClass* p2 = new ActualClass;p2->print();delete p1;p1 = new ActualClass;p1->print();delete p1;delete p2;
}

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