一、为什么需要使用内存池

在C/C++中我们通常使用malloc,free或new,delete来动态分配内存。

一方面，因为这些函数涉及到了系统调用，所以频繁的调用必然会导致程序性能的损耗；

另一方面，频繁的分配和释放小块内存会导致大量的内存碎片的产生，当碎片积累到一定的量之后，将无法分配到连续的内存空间，系统不得不进行碎片整理来满足分配到连续的空间，这样不仅会导致系统性能损耗，而且会导致程序对内存的利用率低下。

当然，如果我们的程序不需要频繁的分配和释放小块内存，那就没有使用内存池的必要，直接使用malloc,free或new,delete函数即可。

二、内存池的实现方案

内存池的实现原理大致如下：

提前申请一块大内存由内存池自己管理，并分成小片供给程序使用。程序使用完之后将内存归还到内存池中（并没有真正的从系统释放），当程序再次从内存池中请求内存时，内存池将池子中的可用内存片返回给程序使用。

我们在设计内存池的实现方案时，需要考虑到以下问题：

内存池是否可以自动增长？

如果内存池的最大空间是固定的（也就是非自动增长），那么当内存池中的内存被请求完之后，程序就无法再次从内存池请求到内存。所以需要根据程序对内存的实际使用情况来确定是否需要自动增长。

内存池的总内存占用是否只增不减？

如果内存池是自动增长的，就涉及到了内存池的总内存占用是否是只增不减这个问题了。试想，程序从一个自动增长的内存池中请求了1000个大小为100KB的内存片，并在使用完之后全部归还给了内存池，而且假设程序之后的逻辑最多之后请求10个100KB的内存片，那么该内存池中的900个100KB的内存片就一直处于闲置状态，程序的内存占用就一直不会降下来。对内存占用大小有要求的程序需要考虑到这一点。

内存池中内存片的大小是否固定？

如果每次从内存池中的请求的内存片的大小如果不固定，那么内存池中的每个可用内存片的大小就不一致，程序再次请求内存片的时候，内存池就需要在匹配最佳大小的内存片和匹配操作时间上作出衡量。最佳大小的内存片虽然可以减少内存的浪费，但可能会导致匹配时间变长。

内存池是否是线程安全的？

是否允许在多个线程中同时从同一个内存池中请求和归还内存片？这个线程安全可以由内存池来实现，也可以由使用者来保证。

内存片分配出去之前和归还到内存池之后，其中的内容是否需要被清除？

程序可能出现将内存片归还给内存池之后，仍然使用内存片的地址指针进行内存读写操作，这样就会导致不可预期的结果。将内容清零只能尽量的（也不一定能）将问题抛出来，但并不能解决任何问题，而且将内容清零会消耗一定的CPU时间。所以，最终最好还是需要由内存池的使用者来保证这种安全性。

是否兼容std::allocator？

STL标准库中的大多类都支持用户提供一个自定义的内存分配器，默认使用的是std::allocator，如std::string：

typedef basic_string, allocator > string;

如果我们的内存池兼容std::allocator，那么我们就可以使用我们自己的内存池来替换默认的std::allocator分配器，如：

typedef basic_string, MemoryPoll > mystring;

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三、内存池的具体实现

计划实现一个内存池管理的类MemoryPool，它具有如下特性：

内存池的总大小自动增长。
内存池中内存片的大小固定。
支持线程安全。
在内存片被归还之后，清除其中的内容。
兼容std::allocator。

因为内存池的内存片的大小是固定的，不涉及到需要匹配最合适大小的内存片，由于会频繁的进行插入、移除的操作，但查找比较少，故选用链表数据结构来管理内存池中的内存片。

MemoryPool中有2个链表，它们都是双向链表（设计成双向链表主要是为了在移除指定元素时，能够快速定位该元素的前后元素，从而在该元素被移除后，将其前后元素连接起来，保证链表的完整性）：

data_element_ 记录以及分配出去的内存片。
free_element_ 记录未被分配出去的内存片。

MemoryPool实现代码

代码中使用了std::mutex等C++11才支持的特性，所以需要编译器最低支持C++11：

ifndefPPX_BASE_MEMORY_POOL_H_definePPX_BASE_MEMORY_POOL_H_includeincludeincludenamespaceppx {namespacebase {template<typenameT,size_tBlockSize =4096,boolZeroOnDeallocate =true>
        class MemoryPool {public:/* Member types */typedefT               value_type;typedefT*              pointer;typedefT&              reference;typedefconstT*        const_pointer;typedefconstT&        const_reference;typedefsize_tsize_type;typedefptrdiff_tdifference_type;typedefstd::false_type propagate_on_container_copy_assignment;typedefstd::true_type  propagate_on_container_move_assignment;typedefstd::true_type  propagate_on_container_swap;template<typenameU>structrebind{typedefMemoryPool other;
            };/* Member functions */MemoryPool()noexcept;
            MemoryPool(constMemoryPool& memoryPool)noexcept;
            MemoryPool(MemoryPool&& memoryPool)noexcept;template<classU>MemoryPool(constMemoryPool&memoryPool)noexcept;~MemoryPool()noexcept;

            MemoryPool&operator=(constMemoryPool& memoryPool) =delete;
            MemoryPool&operator=(MemoryPool&& memoryPool)noexcept;pointeraddress(reference x)constnoexcept;const_pointeraddress(const_reference x)constnoexcept;// Can only allocate one object at a time. n and hint are ignoredpointerallocate(size_type n =1, const_pointer hint =0);voiddeallocate(pointer p, size_type n =1);size_typemax_size()constnoexcept;template<classU,class...Args>voidconstruct(U*p,Args&&...args);template<classU>voiddestroy(U*p);template<class...Args>pointernewElement(Args&&...args);voiddeleteElement(pointer p);private:structElement_{Element_* pre;
                Element_* next;
            };typedefchar* data_pointer;typedefElement_ element_type;typedefElement_* element_pointer;

            element_pointer data_element_;
            element_pointer free_element_;std::recursive_mutex m_;size_typepadPointer(data_pointer p, size_type align)constnoexcept;voidallocateBlock();static_assert(BlockSize >=2*sizeof(element_type),"BlockSize too small.");
        };template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinetypenameMemoryPool::size_type
            MemoryPool::padPointer(data_pointer p, size_type align)constnoexcept{uintptr_tresult =reinterpret_cast<uintptr_t>(p);return((align - result) % align);
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>
        MemoryPool::MemoryPool()noexcept{
            data_element_ =nullptr;
            free_element_ =nullptr;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>
        MemoryPool::MemoryPool(constMemoryPool& memoryPool)noexcept:
            MemoryPool() {
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>
        MemoryPool::MemoryPool(MemoryPool&& memoryPool)noexcept{std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);

            data_element_ = memoryPool.data_element_;
            memoryPool.data_element_ =nullptr;
            free_element_ = memoryPool.free_element_;
            memoryPool.free_element_ =nullptr;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>template<classU>MemoryPool::MemoryPool(constMemoryPool& memoryPool)noexcept:
            MemoryPool() {
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>
        MemoryPool&
            MemoryPool::operator=(MemoryPool&& memoryPool)noexcept{std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);if(this!= &memoryPool) {std::swap(data_element_, memoryPool.data_element_);std::swap(free_element_, memoryPool.free_element_);
            }return*this;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>
        MemoryPool::~MemoryPool()noexcept{std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);

            element_pointer curr = data_element_;while(curr !=nullptr) {
                element_pointer prev = curr->next;operatordelete(reinterpret_cast<void*>(curr));
                curr = prev;
            }

            curr = free_element_;while(curr !=nullptr) {
                element_pointer prev = curr->next;operatordelete(reinterpret_cast<void*>(curr));
                curr = prev;
            }
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinetypenameMemoryPool::pointer
            MemoryPool::address(reference x)constnoexcept{return&x;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinetypenameMemoryPool::const_pointer
            MemoryPool::address(const_reference x)constnoexcept{return&x;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>voidMemoryPool::allocateBlock() {// Allocate space for the new block and store a pointer to the previous onedata_pointer new_block =reinterpret_cast (operatornew(BlockSize));
            element_pointer new_ele_pointer =reinterpret_cast(new_block);
            new_ele_pointer->pre =nullptr;
            new_ele_pointer->next =nullptr;if(data_element_) {
                data_element_->pre = new_ele_pointer;
            }

            new_ele_pointer->next = data_element_;
            data_element_ = new_ele_pointer;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinetypenameMemoryPool::pointer
            MemoryPool::allocate(size_type n, const_pointer hint) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);if(free_element_ !=nullptr) {
                data_pointer body =reinterpret_cast(reinterpret_cast(free_element_) +sizeof(element_type));

                size_type bodyPadding = padPointer(body,alignof(element_type));

                pointer result =reinterpret_cast(reinterpret_cast(body + bodyPadding));

                element_pointer tmp = free_element_;

                free_element_ = free_element_->next;if(free_element_)
                    free_element_->pre =nullptr;

                tmp->next = data_element_;if(data_element_)
                    data_element_->pre = tmp;
                tmp->pre =nullptr;
                data_element_ = tmp;returnresult;
            }else{
                allocateBlock();

                data_pointer body =reinterpret_cast(reinterpret_cast(data_element_) +sizeof(element_type));

                size_type bodyPadding = padPointer(body,alignof(element_type));

                pointer result =reinterpret_cast(reinterpret_cast(body + bodyPadding));returnresult;
            }
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinevoidMemoryPool::deallocate(pointer p, size_type n) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);if(p !=nullptr) {
                element_pointer ele_p =reinterpret_cast(reinterpret_cast(p) -sizeof(element_type));if(ZeroOnDeallocate) {memset(reinterpret_cast(p),0, BlockSize -sizeof(element_type));
                }if(ele_p->pre) {
                    ele_p->pre->next = ele_p->next;
                }if(ele_p->next) {
                    ele_p->next->pre = ele_p->pre;
                }if(ele_p->pre ==nullptr) {
                    data_element_ = ele_p->next;
                }

                ele_p->pre =nullptr;if(free_element_) {
                    ele_p->next = free_element_;
                    free_element_->pre = ele_p;
                }else{
                    ele_p->next =nullptr;
                }
                free_element_ = ele_p;
            }
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinetypenameMemoryPool::size_type
            MemoryPool::max_size()constnoexcept{
            size_type maxBlocks =-1/ BlockSize;return(BlockSize -sizeof(data_pointer)) /sizeof(element_type) * maxBlocks;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>template<classU,class...Args>inlinevoidMemoryPool::construct(U* p, Args&&... args) {new(p) U(std::forward(args)...);
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>template<classU>inlinevoidMemoryPool::destroy(U* p) {
            p->~U();
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>template<class...Args>inlinetypenameMemoryPool::pointer
            MemoryPool::newElement(Args&&... args) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);
            pointer result = allocate();
            construct(result,std::forward(args)...);returnresult;
        }template<typenameT,size_tBlockSize,boolZeroOnDeallocate>inlinevoidMemoryPool::deleteElement(pointer p) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(m_);if(p !=nullptr) {
                p->~value_type();
                deallocate(p);
            }
        }
    }
}endif// PPX_BASE_MEMORY_POOL_H_

使用示例：

includeincludeusingnamespacestd;classApple{public:
    Apple() {
        id_ =0;cout<<"Apple()"<<endl;
    }

    Apple(intid) {
        id_ = id;cout<<"Apple("<< id_ <<")"<<endl;
    }

    ~Apple() {cout<<"~Apple()"<<endl;
    }voidSetId(intid){
        id_ = id;
    }intGetId(){returnid_;
    }private:intid_;
};voidThreadProc(ppx::base::MemoryPool<char> *mp){inti =0;while(i++ <100000) {char* p0 = (char*)mp->allocate();char* p1 = (char*)mp->allocate();

        mp->deallocate(p0);char* p2 = (char*)mp->allocate();

        mp->deallocate(p1);
        
        mp->deallocate(p2);

    }
}intmain(){
    ppx::base::MemoryPool<char> mp;inti =0;while(i++ <100000) {char* p0 = (char*)mp.allocate();char* p1 = (char*)mp.allocate();

        mp.deallocate(p0);char* p2 = (char*)mp.allocate();

        mp.deallocate(p1);

        mp.deallocate(p2);

    }std::threadth0(ThreadProc, &mp);std::threadth1(ThreadProc, &mp);std::threadth2(ThreadProc, &mp);

    th0.join();
    th1.join();
    th2.join();

    Apple *apple =nullptr;
    {
        ppx::base::MemoryPool mp2;
        apple = mp2.newElement(10);inta = apple->GetId();
        apple->SetId(10);
        a = apple->GetId();

        mp2.deleteElement(apple);
    }

    apple->SetId(12);intb =-4%4;int*a =nullptr;
    {
        ppx::base::MemoryPool<int,18> mp3;
        a =  mp3.allocate();
        *a =100;//mp3.deallocate(a);int*b =  mp3.allocate();
        *b =200;//mp3.deallocate(b);mp3.deallocate(a);
        mp3.deallocate(b);int*c = mp3.allocate();
        *c =300;
    }

    getchar();return0;
}

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