引言
C/C++下內(nèi)存管理是讓幾乎每一個(gè)程序員頭疼的問題，分配足夠的內(nèi)存、追蹤內(nèi)存的分配、在不需要的時(shí)候釋放內(nèi)存——這個(gè)任務(wù)相當(dāng)復(fù)雜。而直接使用系統(tǒng)調(diào)用malloc/free、new/delete進(jìn)行內(nèi)存分配和釋放，有以下弊端：
- 調(diào)用malloc/new,系統(tǒng)需要根據(jù)“最先匹配”、“最優(yōu)匹配”或其他算法在內(nèi)存空閑塊表中查找一塊空閑內(nèi)存，調(diào)用free/delete,系統(tǒng)可能需要合并空閑內(nèi)存塊，這些會(huì)產(chǎn)生額外開銷
- 頻繁使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片，從而降低程序運(yùn)行效率
- 容易造成內(nèi)存泄漏
內(nèi)存池（memory pool)是代替直接調(diào)用malloc/free、new/delete進(jìn)行內(nèi)存管理的常用方法，當(dāng)我們申請內(nèi)存空間時(shí)，首先到我們的內(nèi)存池中查找合適的內(nèi)存塊，而不是直接向操作系統(tǒng)申請，優(yōu)勢在于：
- 比malloc/free進(jìn)行內(nèi)存申請/釋放的方式快
- 不會(huì)產(chǎn)生或很少產(chǎn)生堆碎片
- 可避免內(nèi)存泄漏
內(nèi)存池設(shè)計(jì)
看到內(nèi)存池好處這么多，是不是恨不能馬上拋棄malloc/free，投奔內(nèi)存池的懷抱呢？且慢，在我們自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)內(nèi)存池之前還需要明確以下幾個(gè)問題：
- 內(nèi)存池的空間如何獲得？是程序啟動(dòng)時(shí)分配一大塊空間還是程序運(yùn)行中按需求分配？
- 內(nèi)存池對到來的內(nèi)存申請，有沒有大小的限制？如果有，最小可申請的內(nèi)存塊為多大，最大的呢？
- 如何合理設(shè)計(jì)內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)，方便我們進(jìn)行內(nèi)存的申請、追蹤和釋放呢？
- 內(nèi)存池占用越多空間，相對應(yīng)其他程序能使用的內(nèi)存就越少，是否要設(shè)定內(nèi)存池空間的上限？設(shè)定為多少合適呢？
帶著以上問題，我們來看以下一種內(nèi)存池設(shè)計(jì)方案。
內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)方案一
從這里下載該內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)的源碼。
首先給出該方案的整體架構(gòu)，如下：
圖1.內(nèi)存池架構(gòu)圖
結(jié)構(gòu)中主要包含block、list和pool這三個(gè)結(jié)構(gòu)體，block結(jié)構(gòu)包含指向?qū)嶋H內(nèi)存空間的指針，前向和后向指針讓block能夠組成雙向鏈表；list結(jié)構(gòu)中free指針指向空閑 內(nèi)存塊組成的鏈表，used指針指向程序使用中的內(nèi)存塊組成的鏈表，size值為內(nèi)存塊的大小，list之間組成單向鏈表；pool結(jié)構(gòu)記錄list鏈表的頭和尾。
內(nèi)存跟蹤策略
該方案中，在進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí)，將多申請12個(gè)字節(jié)，即實(shí)際申請的內(nèi)存大小為所需內(nèi)存大小+12。在多申請的12個(gè)字節(jié)中，分別存放對應(yīng)的list指針（4字節(jié)）、used指針（4字節(jié)）和校驗(yàn)碼（4字節(jié)）。通過這樣設(shè)定，我們很容易得到該塊內(nèi)存所在的list和block，校驗(yàn)碼起到粗略檢查是否出錯(cuò)的作用。該結(jié)構(gòu)圖示如下：
圖2.內(nèi)存塊申請示意圖
圖中箭頭指示的位置為內(nèi)存塊真正開始的位置。
內(nèi)存申請和釋放策略
申請：根據(jù)所申請內(nèi)存的大小，遍歷list鏈表，查看是否存在相匹配的size；
存在匹配size：查看free時(shí)候?yàn)镹ULL
free為NULL：使用malloc/new申請內(nèi)存，并將其置于used所指鏈表的尾部
free不為NULL：將free所指鏈表的頭結(jié)點(diǎn)移除，放置于used所指鏈表的尾部
不存在匹配size：新建list，使用malloc/new申請內(nèi)存，并將其置于該list的used所指鏈表尾部
返回內(nèi)存空間指針
釋放：根據(jù)內(nèi)存跟蹤策略，獲取list指針和used指針，將其從used指針?biāo)傅逆湵碇袆h除，放置于free指針?biāo)赶虻逆湵?em>
對方案一的分析
對照“內(nèi)存池設(shè)計(jì)”一節(jié)中提出的問題，我們的方案一有以下特點(diǎn)：
- 程序啟動(dòng)后內(nèi)存池并沒有內(nèi)存塊，到程序真正進(jìn)行內(nèi)存申請和釋放的時(shí)候才接管內(nèi)存塊管理；
- 該內(nèi)存池對到來的申請，對申請大小并不做限制，其為每個(gè)size值創(chuàng)建鏈表進(jìn)行內(nèi)存管理；
- 該方案沒有提供限定內(nèi)存池大小的功能
結(jié)合分析，可以得出該方案應(yīng)用場景如下：程序所申請的內(nèi)存塊大小比較固定（比如只申請/釋放1024bytes或2048bytes的內(nèi)存），申請和釋放的頻率基本保持一致（因申請多而釋放少會(huì)占用過多內(nèi)存，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰）。
這篇文章講解了內(nèi)存管理的基本知識(shí)，以一個(gè)簡單的內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)例子作為敲門磚，引領(lǐng)大家認(rèn)識(shí)內(nèi)存池，下一篇為內(nèi)存池進(jìn)階文章，講解apache服務(wù)器中內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)方法。