developerWorks 图书频道: C++ 应用程序性能优化，第 6 章：内存池
本书主要针对的是 C++ 程序的性能优化，深入介绍 C++ 程序性能优化的方法和实例。全书由 4 个篇组成，第 1 篇介绍 C++ 语言的对象模型，该篇是优化 C++ 程序的基础；第 2 篇主要针对如何优化 C++ 程序的内存使用；第 3 篇介绍如何优化程序的启动性能；第 4 篇介绍了三类性能优化工具，即内存分析工具、性能分析工具和 I/O 检测工具，它们是测量程序性能的利器。
本章首先简单介绍自定义内存池性能优化的原理，然后列举软件开发中常用的内存池的不同类型，并给出具体实现的实例。
在此我们推出了本书的 前言 和第 2、6 章供大家在线浏览。更多推荐书籍请访问developerWorks 图书频道。
冯 宏华, 高级软件工程师, IBM 中国开发中心
徐 莹, 开发经理, IBM 中国软件开发中心
程 远, 高级软件工程师, IBM 软件开发中心
汪 磊, 高级软件工程师, IBM 中国开发中心
2007 年 11 月 29 日
固定内存池由一系列固定大小的内存块组成，每一个内存块又包含了固定数量和大小的内存单元。
如图6-1所示，该内存池一共包含4个内存块。在内存池初次生成时，只向系统申请了一个内存块，返回的指针作为整个内存池的头指针。之后随着应用程序对内存的不断需求，内存池判断需要动态扩大时，才再次向系统申请新的内存块，并把所有这些内存块通过指针链接起来。对于操作系统来说，它已经为该应用程序分配了4个等大小的内存块。由于是大小固定的，所以分配的速度比较快；而对于应用程序来说，其内存池开辟了一定大小，内存池内部却还有剩余的空间。
例如放大来看第4个内存块，其中包含一部分内存池块头信息和3个大小相等的内存池单元。单元1和单元3是空闲的，单元2已经分配。当应用程序需要通过该内存池分配一个单元大小的内存时，只需要简单遍历所有的内存池块头信息，快速定位到还有空闲单元的那个内存池块。然后根据该块的块头信息直接定位到第1个空闲的单元地址，把这个地址返回，并且标记下一个空闲单元即可；当应用程序释放某一个内存池单元时，直接在对应的内存池块头信息中标记该内存单元为空闲单元即可。
可见与系统管理内存相比，内存池的操作非常迅速，它在性能优化方面的优点主要如下。
（1）针对特殊情况，例如需要频繁分配释放固定大小的内存对象时，不需要复杂的分配算法和多线程保护。也不需要维护内存空闲表的额外开销，从而获得较高的性能。
（2）由于开辟一定数量的连续内存空间作为内存池块，因而一定程度上提高了程序局部性，提升了程序性能。
（3）比较容易控制页边界对齐和内存字节对齐，没有内存碎片的问题。
回页首
本节分析在某个大型应用程序实际应用到的一个内存池实现，并详细讲解其使用方法与工作原理。这是一个应用于单线程环境且分配单元大小固定的内存池，一般用来为执行时会动态频繁地创建且可能会被多次创建的类对象或者结构体分配内存。
本节首先讲解该内存池的数据结构声明及图示，接着描述其原理及行为特征。然后逐一讲解实现细节，最后介绍如何在实际程序中应用此内存池，并与使用普通内存函数申请内存的程序性能作比较。
内存池类MemoryPool的声明如下：
MemoryBlock为内存池中附着在真正用来为内存请求分配内存的内存块头部的结构体，它描述了与之联系的内存块的使用信息：
此内存池的数据结构如图6-2所示。
图6-2 内存池的数据结构
此内存池的总体机制如下。
（1）在运行过程中，MemoryPool内存池可能会有多个用来满足内存申请请求的内存块，这些内存块是从进程堆中开辟的一个较大的连续内存区域，它由一个MemoryBlock结构体和多个可供分配的内存单元组成，所有内存块组成了一个内存块链表，MemoryPool的pBlock是这个链表的头。对每个内存块，都可以通过其头部的MemoryBlock结构体的pNext成员访问紧跟在其后面的那个内存块。
（2）每个内存块由两部分组成，即一个MemoryBlock结构体和多个内存分配单元。这些内存分配单元大小固定（由MemoryPool的nUnitSize表示），MemoryBlock结构体并不维护那些已经分配的单元的信息；相反，它只维护没有分配的自由分配单元的信息。它有两个成员比较重要：nFree和nFirst。nFree记录这个内存块中还有多少个自由分配单元，而nFirst则记录下一个可供分配的单元的编 。每一个自由分配单元的头两个字节（即一个USHORT型值）记录了紧跟它之后的下一个自由分配单元的编 ，这样，通过利用每个自由分配单元的头两个字节，一个MemoryBlock中的所有自由分配单元被链接起来。
（3）当有新的内存请求到来时，MemoryPool会通过pBlock遍历MemoryBlock链表，直到找到某个MemoryBlock所在的内存块，其中还有自由分配单元（通过检测MemoryBlock结构体的nFree成员是否大于0）。如果找到这样的内存块，取得其MemoryBlock的nFirst值（此为该内存块中第1个可供分配的自由单元的编 ）。然后根据这个编 定位到该自由分配单元的起始位置（因为所有分配单元大小固定，因此每个分配单元的起始位置都可以通过编 分配单元大小来偏移定位），这个位置就是用来满足此次内存申请请求的内存的起始地址。但在返回这个地址前，需要首先将该位置开始的头两个字节的值（这两个字节值记录其之后的下一个自由分配单元的编 ）赋给本内存块的MemoryBlock的nFirst成员。这样下一次的请求就会用这个编 对应的内存单元来满足，同时将此内存块的MemoryBlock的nFree递减1，然后才将刚才定位到的内存单元的起始位置作为此次内存请求的返回地址返回给调用者。
（4）如果从现有的内存块中找不到一个自由的内存分配单元（当第1次请求内存，以及现有的所有内存块中的所有内存分配单元都已经被分配时会发生这种情形），MemoryPool就会从进程堆中申请一个内存块（这个内存块包括一个MemoryBlock结构体，及紧邻其后的多个内存分配单元，假设内存分配单元的个数为n，n可以取值MemoryPool中的nInitSize或者nGrowSize），申请完后，并不会立刻将其中的一个分配单元分配出去，而是需要首先初始化这个内存块。初始化的操作包括设置MemoryBlock的nSize为所有内存分配单元的大小（注意，并不包括MemoryBlock结构体的大小）、nFree为n-1（注意，这里是n-1而不是n，因为此次新内存块就是为了满足一次新的内存请求而申请的，马上就会分配一块自由存储单元出去，如果设为n-1，分配一个自由存储单元后无须再将n递减1），nFirst为1（已经知道nFirst为下一个可以分配的自由存储单元的编 。为1的原因与nFree为n-1相同，即立即会将编 为0的自由分配单元分配出去。现在设为1，其后不用修改nFirst的值），MemoryBlock的构造需要做更重要的事情，即将编 为0的分配单元之后的所有自由分配单元链接起来。如前所述，每个自由分配单元的头两个字节用来存储下一个自由分配单元的编 。另外，因为每个分配单元大小固定，所以可以通过其编 和单元大小（MemoryPool的nUnitSize成员）的乘积作为偏移值进行定位。现在唯一的问题是定位从哪个地址开始案是MemoryBlock的aData[1]成员开始。因为aData[1]实际上是属于MemoryBlock结构体的（MemoryBlock结构体的最后一个字节），所以实质上，MemoryBlock结构体的最后一个字节也用做被分配出去的分配单元的一部分。因为整个内存块由MemoryBlock结构体和整数个分配单元组成，这意味着内存块的最后一个字节会被浪费，这个字节在图6-2中用位于两个内存的最后部分的浓黑背景的小块标识。确定了分配单元的起始位置后，将自由分配单元链接起来的工作就很容易了。即从aData位置开始，每隔nUnitSize大小取其头两个字节，记录其之后的自由分配单元的编 。因为刚开始所有分配单元都是自由的，所以这个编 就是自身编 加1，即位置上紧跟其后的单元的编 。初始化后，将此内存块的第1个分配单元的起始地址返回，已经知道这个地址就是aData。
（5）当某个被分配的单元因为delete需要回收时，该单元并不会返回给进程堆，而是返回给MemoryPool。返回时，MemoryPool能够知道该单元的起始地址。这时，MemoryPool开始遍历其所维护的内存块链表，判断该单元的起始地址是否落在某个内存块的地址范围内。如果不在所有内存地址范围内，则这个被回收的单元不属于这个MemoryPool；如果在某个内存块的地址范围内，那么它会将这个刚刚回收的分配单元加到这个内存块的MemoryBlock所维护的自由分配单元链表的头部，同时将其nFree值递增1。回收后，考虑到资源的有效利用及后续操作的性能，内存池的操作会继续判断：如果此内存块的所有分配单元都是自由的，那么这个内存块就会从MemoryPool中被移出并作为一个整体返回给进程堆；如果该内存块中还有非自由分配单元，这时不能将此内存块返回给进程堆。但是因为刚刚有一个分配单元返回给了这个内存块，即这个内存块有自由分配单元可供下次分配，因此它会被移到MemoryPool维护的内存块的头部。这样下次的内存请求到来，MemoryPool遍历其内存块链表以寻找自由分配单元时，第1次寻找就会找到这个内存块。因为这个内存块确实有自由分配单元，这样可以减少MemoryPool的
声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！