一切像霧像雨又像風
作者:CppExplore 地址:http://www.shnenglu.com/CppExplore/2、定長內存池。典型的實現有LOKI、BOOST。特點是為不同類型的數據結構分別創建內存池,需要內存的時候從相應的內存池中申請內存,優點是可以在使用完畢立即把內存歸還池中,可以更為細粒度的控制內存塊。 與變長的相比,這種類型的內存池更加通用,另一方面對于大量不同的數據類型環境中,會浪費不少內存。但一般系統主要的數據結構都不會很多,并且都是重復申請釋放使用,這種情況下,定長內存池的這點小缺點可以忽略了。(1)Loki::SmallObject。Andrei Alexandrescu的《Modern C++ Design》第四章節已經進行了詳細的描述,盡管和當前的loki版本實現有出入,還是了解Loki::SmallObject的最佳文字講解,結合最新的loki源碼,足夠了。這里我再羅唆一下。先舉例看下使用:
使用valgrind執行可以證實new一個obj和多new幾次,申請的內存都是4192。可以看出loki在使用層面非常簡單。 loki的內存池分4層,從低向上依次是chunk、FixedAllocator、SmallObjAllocator、SmallObject。1)chunk:每個chunk管理一定數量(最大255,char型保存)的block,每個chunk中block的申請和釋放,時間復雜度都是o(1),非常快,實現算法非常精巧,boost::pool中也是采用的相同算法。 這里簡單說下這個算法:首次申請一塊連續內存,pdata_指向該內存基址,依據block大小,劃分成多個連續的block,每個block開頭的第一個字節保存該block的順序號,第一個是1,第二個是2,依次類推。另有一字節變量firstAvailableBlock_存儲上次分配出的block序號,開始是0。 分配block:返回pdata_ +firstAvailableBlock_*blocksize,同時firstAvailableBlock_賦值為該塊的序列號。 回收block:block指針假設為pblock,該塊序列號賦值為firstAvailableBlock_,firstAvailableBlock_賦值為(pblock-pdata_ )/blocksize即可。2)FixedAllocator:chunk中的block上限是255,不具有通用性,因此封裝了一層,稱為FixedAllocator,它保存了一個vector<chunk>,消除了單個chunk中block數目的上限限制。 FixedAllocator中的block申請:FixedAllocator中保存活動的chunk(上次有空閑空間的chunk),申請block的時候如果活動chunk有空閑快,直接申請,否則掃描vector,時間復雜度o(N),同時更新活動chunk。 FixedAllocator中的回收block:簡單想,給定block回收到FixedAllocator,自然要掃描vector,以確認block屬于哪個chunk,以便chunk回收。實際實現的時候,Loki針對應用場景進行了優化,一般使用都是批量使用,回收一般和申請順序相同或者相反,因此FixedAllocator保存上次回收block的chunk指針,每次回收優先匹配這個chunk,匹配不上則以該chunk為中心,向兩側chunk順序檢測。 FixedAllocator帶來的優點:上文提到的消除了block的上限限制。另一方面,可以以chunk為單位,把內存歸還給操作系統。實際實現中防止剛釋放的內存立即又被申請,是存在兩個空閑chunk的時候才回收一個。這個特點,這里暫時歸結為優點吧。實際使用中,回收多余內存個人認為是個缺點,意義并不是很大。 FixedAllocator帶來的缺點:很明顯,就是申請回收block的時間復雜度。3)SmallObjAllocator:截至到FixedAllocator層面blocksize都是定長。因此封裝一層適用于任意長度的內存申請。SmallObjAllocator保存了一個FixedAllocator的數組pool_,存儲擁有不同block長度的FixedAllocator。《Modern C++ Design》中描述該數組下標和存儲的FixedAllocator的block長度無直接關系,從SmallObjAllocator申請以及回收block的時候二分查找找到對應的FixedAllocator再調用相應FixedAllocator的申請或者回收。當前最新版本的loki,已經拋棄了這種做法。當前SmallObjAllocator的構造函數有3個參數:chunksize,maxblocksize,alignsize。數組元素個數取maxblocksize除以alignsize的向上取整。每個FixedAllocator中實際的blocksize是(下標+1)*alignsize。 SmallObjAllocator中block申請:依據block和alignsize的商直接取到數組pool_下標,使用相應的FixedAllocator申請。 SmallObjAllocator中回收block:根據block和alignsize的商直接找到相應的FixedAllocator回收。 優點:差異化各種長度的對象申請,增強了易用性。 缺點:《Modern C++ Design》中描述增加掃描的時間復雜度,當前版本的loki浪費內存。這也是進一步封裝,屏蔽定長申請的細節,帶來的負面效應。4)SmallObject。暴露給外部使用的一層。該層面秉承了《Modern C++ Design》開始引入的以設計策略類為最終目的,讓用戶在編譯期選擇設計策略,而不是提供框架限制用戶的設計。這也是引入模版的一個層面。當前版本SmallObject有6個模版參數,第一個是線程策略,緊接著的三個正好是SmallObjAllocator層面的三個構造參數,下面的一個生存期策略,最后的是鎖方式。 這里說下SmallObjAllocator層面的三個默認參數值,分別是4096,256,4。意味著SmallObjAllocator層面有數組(256+4-1)/4=64個,數組存儲的FixedAllocator中的chunksize一般都是4096(當4096<=blocksize*255時候)字節(第一個chunk的申請推遲到首次使用的時候),各FixedAllocator中的chunk的blocksize依次是4、8......256,大于256字節的內存申請交給系統的malooc/new管理,數組中FixedAllocator中單個chunk中的blocknum依次是4096/4=824>255取255、255......4096/256=16。如果這不能滿足需求,請調用的時候顯式賦值。 當前loki提供了三種線程策略:
目前只提供了一種鎖機制:Mutex它的基類SmallObjectBase復寫了new/delete操作子,因此直接繼承SmallObject就可以象普通的類一樣new/delete,并且從內存池分配內存。 SmalObject中block申請和釋放都從一個全局的SmallObjAllocator單例進行。評價:chunk層面限制了上限個數,導致了FixedAllocator層面出現,造成申請回收時間復雜度的提高,而以chunk為單位回收內存,在內存池的使用場景下意義并不是很大。SmallObjAllocator為了差異化變長內存的申請,對FixedAllocator進一步封裝,引入了內存的浪費,不如去掉這個層面,直接提供給用戶層面定長的接口。另一方面,loki已經進行了不少優化,盡可能讓block申請釋放的時間復雜度在絕大多數情況下都是O(1),而SmallObjAllocator中內存的浪費可以根據alignsize調整,即便是極端情況下,loki將chunk歸還給系統又被申請出來,根據chunk中block的最大值看,也比不使用內存池的情況動態申請釋放內存的次數減少了1/255。因此,loki是一個非常不錯的小巧的內存池。
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