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内存池(MemPool)技术详解

概述

内存池(MemPool)技术备受推崇。我用google搜索了下,没有找到比较详细的原理性的文章,故此补充一个。另外,补充了boost::pool组件与经典MemPool的差异。同时也描述了MemPool在sgi-stl/stlport中的运用。

经典的内存池技术

经典的内存池(MemPool)技术,是一种用于分配大量大小相同的小对象的技术。通过该技术可以极大加快内存分配/释放过程。下面我们详细解释其中的奥妙。

经典的内存池只涉及两个常量:MemBlockSize、ItemSize(小对象的大小,但不能小于指针的大小,在32位平台也就是不能小于4字节),以及两个指针变量MemBlockHeader、FreeNodeHeader。开始,这两个指针均为空。

class MemPool
{
private:
    const int m_nMemBlockSize;
    const int m_nItemSize;
 
    struct _FreeNode {
        _FreeNode* pPrev;
        BYTE data[m_nItemSize - sizeof(_FreeNode*)];
    };
 
    struct _MemBlock {
        _MemBlock* pPrev;
        _FreeNode data[m_nMemBlockSize/m_nItemSize];
    };
 
    _MemBlock* m_pMemBlockHeader;
    _FreeNode* m_pFreeNodeHeader;
 
public:
   MemPool(int nItemSize, int nMemBlockSize = 2048)
       : m_nItemSize(nItemSize), m_nMemBlockSize(nMemBlockSize),
         m_pMemBlockHeader(NULL), m_pFreeNodeHeader(NULL)
   {
   }
};

其中指针变量MemBlockHeader是把所有申请的内存块(MemBlock)串成一个链表,以便通过它可以释放所有申请的内存。FreeNodeHeader变量则是把所有自由内存结点(FreeNode)串成一个链。

这段话涉及两个关键概念:内存块(MemBlock)自由内存结点(FreeNode)。内存块大小一般固定为MemBlockSize字节(除去用以建立链表的指针外)。内存块在申请之初就被划分为多个内存结点(Node)1,每个Node大小为ItemSize(小对象的大小),计MemBlockSize/ItemSize个。这MemBlockSize/ItemSize个内存结点刚开始全部是自由的,他们被串成链表。我们看看申请/释放内存过程,就很容易明白这样做的目的。

申请内存过程

代码如下:

void* MemPool::malloc()    // 没有参数
{
    if (m_pFreeNodeHeader == NULL)
    {
       const int nCount = m_nMemBlockSize/m_nItemSize;
        _MemBlock* pNewBlock = new _MemBlock;
        pNewBlock->data[0].pPrev = NULL;
        for (int i = 1; i < nCount; ++i)
            pNewBlock->data[i].pPrev = &pNewBlock->data[i-1];
        m_pFreeNodeHeader = &pNewBlock->data[nCount-1];
        pNewBlock->pPrev = m_pMemBlock;
        m_pMemBlock = pNewBlock;
    }
    void* pFreeNode = m_pFreeNodeHeader;
    m_pFreeNodeHeader = m_pFreeNodeHeader->pPrev;
    return pFreeNode;
}

内存申请过程分为两种情况:

  1. 在自由内存结点链表(FreeNodeList)非空。在此情况下,Alloc过程只是从链表中摘下一个结点的过程。
  2. 否则,意味着需要一个新的内存块(MemBlock)。这个过程需要将新申请的MemBlock切割成多个Node,并把它们串起来,MemPool技术的开销主要在这。

释放内存过程

代码如下:

void MemPool::free(void* p)
{
    _FreeNode* pNode = (_FreeNode*)p;
    pNode->pPrev = m_pFreeNodeHeader;
    m_pFreeNodeHeader = pNode;
}

释放过程极其简单,只是把要释放的结点挂到自由内存链表(FreeNodeList)的开头即可。

性能分析

MemPool技术申请内存/释放内存均极其快(比AutoFreeAlloc慢)。其内存分配过程多数情况下复杂度为O(1),主要开销在FreeNodeList为空需要生成新的MemBlock时。内存释放过程复杂度为O(1)。

boost::pool

boost::pool是内存池技术的变种。主要的变化如下:

  1. MemBlock改为非固定长度(MemBlockSize),而是:第1次申请时m_nItemSize*32,第2次申请时 m_nItemSize*64,第3次申请时m_nItemSize*128,以此类推。不采用固定的MemBlockSize,而采用这种做法预测模型2,是一个细节上的改良。
  2. 增加了ordered_free(void* p) 函数。ordered_free区别于free的是,free把要释放的结点挂到自由内存链表(FreeNodeList)的开头, ordered_free则假设FreeNodeList是有序的,因此会遍历FreeNodeList把要释放的结点插入到合适的位置。我们已经看到,free的复杂度是O(1),非常快。但请注意ordered_free是比较费的操作,其复杂度是O(N)。这里N是FreeNodeList的大小。对于一个频繁释放/申请的系统,这个N很可能是个大数。这个boost描述得很清楚:http://www.boost.org/libs/pool/doc/interfaces/pool.html

注意:不要认为boost提供ordered_free是多此一举。后文我们会在讨论boost::object_pool时解释这一点。

基于内存池技术的通用内存分配组件

SGI STL把内存池(MemPool)技术进行发扬光大,用它来实现其最根本的allocator

其大体的思想是,建立16个MemPool,<=8字节的内存申请由0号MemPool分配,<=16字节的内存申请由1号 MemPool分配,<=24字节的内存有2号MemPool分配,以此类推。最后,>128字节的内存申请由普通的malloc分配。

内存池技术的缺陷

遗憾的是,MemPool技术可能导致内存占用只增不减。还没有非常有效的办法去避免这种情况的发生。不过我后来在ScopeAlloc的实现中发现BlockPool(是一个简化版的内存池)反倒避免了这一缺陷。

注意

以上代码属于伪代码(struct _FreeNode、_MemBlock编译通不过),并且去除了出错处理。

Footnotes

1. boost:pool/object_pool 中称之为块(Chunk)

2. 是的,这是一种用户内存需求的预测模型,其实std::vector的内存增长亦采用了该模型

posted on 2008-04-24 15:33 肥仔 阅读(2579) 评论(1)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++ 基础

评论

# re: 内存池(MemPool)技术详解  回复  更多评论   

代码有些问题。

private:
const int m_nMemBlockSize;
const int m_nItemSize;

struct _FreeNode {
_FreeNode* pPrev;
BYTE data[m_nItemSize - sizeof(_FreeNode*)];
};


这里编译过不了的。必须是常量才能直接用。。。
2011-05-26 10:36 | 易宝@byhh

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