内存池原理大揭秘

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**欢迎大家前往[腾讯云+社区](https://cloud.tencent.com/developer/?fromSource=waitui),获取更多腾讯海量技术实践干货哦~** > 本文由[[amc](https://cloud.tencent.com/developer/user/1307425)](https://cloud.tencent.com/developer/user/1024461?fromSource=waitui)发表于[云+社区专栏](https://cloud.tencent.com/developer/column/4101?fromSource=waitui) 在 C 语言的动态申请内存技术中,相比起 `alloc`/`free` 系统调用,内存池(memory pool)是与现在系统中请求一大片连续的内存空间,然后在运行时根据实际需要分配出去的技术。使用内存池的优点有: 1. 速度远比 `malloc`/`free` 快,因为减少了系统调用的次数,特别是频繁申请/释放内存块的情况 2. 避免了频繁申请/释放内存之后,系统的大量内存碎片 3. 节省空间 ------ # 分类 根据分配出去的内存大小,内存池可以分为两类: ## Fixed-size Allocation 每次分配出去的内存单元(称为 **unit** 或者 **cell**)的大小为程序预先定义的值。释放内存块时,则只需要简单地挂回内存池链表中即可。又称为 “固定尺寸缓冲池”。 常规的做法是:将不同 unit size 的内存池整合在一起,以满足不同内存块大小的使用需求 ## Variable-size allocation 不分配固定长度,内存的分配只是在一大块空闲的内存上滑动。优点是分配效率很高,缺点是成批地回收内存,因为释放的内存无法直接重复利用。 使用这种需要合理规划每块内存的管理区域,所以又叫做 “基于区域的” 内存管理。使用这种做法的分配器,举例有 **Apache Portable Runtime** 中的 [apr_pool](https://apr.apache.org/docs/apr/1.6/group__apr__pools.html) 工具。本文不讨论这种内存池。 ------ # 原理和结构 ## 概念和数据结构 定长内存池有一些基本和必要的概念,需要定义在内存池的结构数据中。以下命名方式使用变体的匈牙利命名法,比如 `nNext`,`n`表示变量类型为整形。类似地,`p`表示指针。 ### Memory Unit 每次程序调用 `MemPool_Alloc` 获取一个内存区域后,会获得一块连续的内存区域。管理一个这样的内存区域的单元就成为内存单元 unit,有时也称作 **chunk**。每个 unit 需要包含以下数据: 1. `nNext`:整型数据,表示下一个可供分配的 unit 的标识号。功能请参见后问 2. `pData[]`:实际的内存区域,其大小在创建时由调用方指定 ### Memory Block 一个内存块,内存块中保存着一系列的内存单元。 这个数据结构需要包含以下基本信息: 1. `nSize`:整型数据,表示该 block 在内存中的大小 2. `nFree`:整型,表示剩下有几个 unit 未被分配 3. `nFirst`:整型,表示下一个可供分配的 unit 的标识号 4. `pNext`:指针,指向下一个 memory block ### Memory Pool 一个内存池总的管理数据结构,换句话说,是一个内存池对象。 1. `pBlock`:指针,指向第一个 memory block 2. `nUnitSize`:整型,表示每个 unit 的尺寸 3. `nInitSize`:整型,表示第一个 block 的 unit 个数 4. `nGrowSize`:整型,表示在第一个 block 之外再继续增加的每个 block 的 unit 个数 ## 函数接口 作为一个内存池,需要实现以下一些基本的函数接口,或者说可以是对象方法: ### `memPoolCreate()` 创建一个 memory pool,必须的参数为 unit size,可选参数为上文 memory pool 的 `nInitSize` 和 `nGrowSize`。 ### `memPoolDestroy()` 销毁整个 memory pool 并交还给操作系统。 ### `memPoolAlloc()` 从 memory pool 中分配一个 unit,其尺寸是预先定义的 unit size。 ### `memPoolFree()` 释放一个指定的 unit。 ------ # 工作过程 现在我们用一个 unit size 为 1024、init size 为 4(每一个 block 有 4 个 units)的 memory pool 为例,解释一下内存池的工作原理。下文假设整型的宽度为 4 个字节。 ## 创建 memory pool 程序开始,调用并创建一个 memory pool。此时调用的函数为 `memPoolCreate()`,程序会创建一个数据结构,相应的结构体成员及其取值如下: ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/kbhl2q92ay.png?imageView2/2/w/1620) ## memory pool alloc 当调用者第一次请求 `memPoolAlloc()` 时,内存池发现 block 链表为空,于是想系统申请内存,创建 memory block,并初始化如下(其中地址值为假设值): ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/6jcsehkjhc.png?imageView2/2/w/1620) 其中 `nSize = 4112 = sizeof(memPool) + nInitSize * sizeof(memUnit)`。每一个 `nNext` 依次加一,各指代着跟着自己的下一个 unit。最后一个 unit 的 `nNext` 值无意义,因此不说明其取值。 然后返回需要的 unit 中的内存。返回内存的逻辑如下: 1. 内存池在 block 中查询 `nFree` 成员 2. 由于 `nFree > 0`,表示有未分配的 unit,因此继续在该 block 中查看 `nFirst` 成员 3. `nFirst` 等于 0,表示该 block 中位置为 0 的 unit 可用。因此内存池可以将这个 unit 中的 `pData` 地址返回给调用方。 `pData` 的地址值计算方式为:`pBlock + sizeof(memBlock) + nFirst * (sizeof(memUnit)) + sizeof(nNext) = 0x10010` 4. `nFree` 减一 5. 修改 `nFirst` 的值,标记下一个可用的 unit。注意这里的 `nFirst` 切切不能简单地加一,而是取返回给调用方的 unit 所对应的 `nNext` 的值,也就是下图`(2)`处原来的值 `1` 6. 将 `pData` 的地址值返回。为便于说明,这块区域我们标记为 CA 操作后各数据结构的状态如下: ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/kmlaau4eu4.png?imageView2/2/w/1620) 第二次调用 `alloc` 的情况类似。调用后各数据结构的状态如下: ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/m0oxe578lf.png?imageView2/2/w/1620) ## memory pool free 我们先看看结果: ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/lc7zx1fqx1.png?imageView2/2/w/1620) 1. 首先程序会检查 CA 的地址值,很快就会发现,地址 0x10010 位于上述第一个 block 的范围之内(`0x10000 <= 0x10010 <= (0x10000 + 4112)`)。再计算偏移值可以很快得出其对应的 `nNext` 标号,也就是上图中的`(2)`位置。 2. 回收 unit,此时需要标记相应的成员值以标示 unit 的回收状态。首先查看 `nFirst` 的值,参见上前幅图,`nFirst` 的值为 3,表示位置`(3)`处的 unit 是可用的。因此我们首先把 `(2)` 处的 `nNext` 值设置为 3,将其加回到可用 unit 的链表中 3. 将 `nFirst` 的值修改为 `0`,也就是代表刚刚回收回来的 unit 的标号,而`(2)`处的值赋值为 2,表示b`(3)`的 unit 其实可以看到,上面就是一个简单的链表操作。根据上面的过程,如果 CB 也释放了的话,那么 memory pool 的状态则会变成这样: ![img](https://ask.qcloudimg.com/draft/1307425/tjbsjt3sle.png?imageView2/2/w/1620) 到这个时候,由于整个 block 已经完全回收了(`nFree == nInitSize`),那么根据不同的策略,可以考虑将整个 block 从内存中释放掉。 ## block 满 我们回到 `alloc` 的逻辑中,可以看到内存池最开始会检查 block 的 `nFree` 成员。如果 `nFree == 0` 的时候,那么就会在该 block 的 `pNext` 中去找到下一个 block,再去检查 `nFree`。如果发现 block 链表已经结束了,那就意味着当前所有的 block 已满,必须创建新的 block。 在实际设计中,我们需要考虑选取合适的 init size 和 grow size 值。从上面的算法中可以看到,如果 `alloc`/`free` 调用非常频繁时,第一个 block 的使用效率是非常高的。 ------ # 变体或改进 1. 有些简化的版本中,可以不使用 `pNext` 来维护链表,也就是只有一个 block,并且内存的使用有一个明确且受控的上限值。这经常用在没有 `malloc` 系统调用的 RTOS 或者是一些对内存非常敏感的嵌入式系统中。 2. 如果要用于多线程环境中,那么 memory pool 结构体需要加上锁 # 参考资料 - [《C++应用程序性能优化》](http://product.dangdang.com/20857597.html) - **内存池** 章节 - [Memory Pool Basic Concepts](http://darkc.at/memory-pool-basic-concepts) >**相关阅读** >[【每日课程推荐】机器学习实战!快速入门在线广告业务及CTR相应知识](https://cloud.tencent.com/developer/edu/course-1128?fromSource=waitui) **此文已由作者授权腾讯云+社区发布,更多原文请[点击](https://cloud.tencent.com/developer/article/1361759?fromSource=waitui )** **搜索关注公众号「云加社区」,第一时间获取技术干货,关注后回复1024 送你一份技术课程大礼包!** 海量技术实践经验,尽在[云加社区](https://cloud.tencent.com/developer?fromSource=waitui)!

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