C++ 实现高性能内存池项目实现
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来源：
https://blog.csdn.net/xjtuse2014/article/details/52302083
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
二、主函数设计
#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;
}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_;
};// 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;
}#define ELEMS 10000000
#define REPS 100// 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;
}#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三、实现
MemoryPool::construct() 实现
// 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
// 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
// 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
// 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_++);
}
}四、与 std::vector 的性能对比
// 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：
总结
#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项目来源：github.com/cacay/Memory
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来源: qq
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