介紹：
設計記憶體池的目标是為了保證伺服器長時間高效的運作，通過對申請空間小而申請頻繁的對象進行有效管理，減少記憶體碎片的産生，合理配置設定管理使用者記憶體，進而減少系統中出現有效空間足夠，而無法配置設定大塊連續記憶體的情況。
目标：
此次設計記憶體池的基本目标，需要滿足線程安全性（多線程），适量的記憶體洩露越界檢查，運作效率不太低于malloc/free方式，實作對4-128位元組範圍内的記憶體空間申請的記憶體池管理（非單一固定大小對象管理的記憶體池）。
記憶體池技術設計與實作
本記憶體池的設計方法主要參考SGI的alloc的設計方案，為了适合一般的應用，并在alloc的基礎上做一些簡單的修改。
Mempool的記憶體池設計方案如下（也可參考候捷《深入剖析STL》）
從系統申請大塊heap記憶體，在此記憶體上劃分不同大小的區塊，并把具有相同大小的區塊連接配接起來，組成一個連結清單。比如A大小的塊，組成連結清單L，當申請A大小 時，直接從連結清單L頭部（如果不為空）上取到一塊交給申請者，當釋放A大小的塊時，直接挂接到L的頭部。記憶體池的原理比較簡單，但是在具體實作過程中大量的 細節需要注意。
1：位元組對齊。
為了友善記憶體池中對象的管理，需要對申請記憶體空間的進行調整，在Mempool中，位元組對齊的大小為最接近8倍數的位元組數。比如，使用者申請5個位元組，Mempool首先會把它調整為8位元組。比如申請22位元組，會調整為24，對比關系如下
序号
對齊位元組
範圍
8
1-8
1
16
9-16
2
24
17-24
3
32
25-32
4
40
33-40
5
48
41-48
6
56
49-56
7
64
57-64
72
65-72
9
80
73-80
10
88
81-88
11
96
89-96
12
104
97-104
13
112
105-112
14
120
113-120
15
128
121-128
（圖1）
對于超過128位元組的申請，直接調用malloc函數申請記憶體空間。這裡設計的記憶體池并不是對所有的對象進行記憶體管理，隻是對申請記憶體空間小，而申 請頻繁的對象進行管理，對于超過128位元組的對象申請，不予考慮。這個需要與實際項目結合，并不是固定不變的。實作對齊操作的函數如下
static size_t round_up(size_t size)
{
return (((size)+7) &~ 7);// 按8位元組對齊
}
2：建構索引表
記憶體池中管理的對象都是固定大小，現在要管理0-128位元組的範圍内的對象申請空間，除了采用上面提到的位元組對齊外，還需要變通一下，這就是建立索引表，做法如下；
static _obj* free_list[16];
建立一個包含16個_obj*指針的數組，關于_obj結構後面詳細講解。free_list[0]記錄所有空閑空間為8位元組的連結清單的首地 址；free_list[1]對應16位元組的連結清單，free_list[2]對應24位元組的清單。free_list中的下标和位元組連結清單對應關系參考圖1 中的“序号”和“對齊位元組”之間的關系。這種關系，我們很容易用算法計算出來。如下
static size_t freelist_index(size_t size)
return (((size)+7)/7-1);// 按8位元組對齊
是以，這樣當使用者申請空間A時，我們隻是通過上面簡單的轉換，就可以跳轉到包含A位元組大小的空閑連結清單上,如下；
_obj** p = free_list[freelist_index(A)];
3:建構空閑連結清單
通過索引表，我們知道mempool中維持着16條空閑連結清單，這些空閑連結清單中管理的空閑對象大小分别為8，16，24，32，40…128。這些空閑連結清單連結起來的方式完全相同。一般情況下我們建構單連結清單時需要建立如下的一個結構體。
struct Obj
Obj *next;
Char* p;
Int iSize;
next指針指向下一個這樣的結構，p指向真正可用空間,iSize用于隻是可用空間的大小，在其他的一些記憶體池實作中，還有更複雜的結構體，比如 還包括記錄此結構體的上級結構體的指針，結構體中目前使用空間的變量等，當使用者申請空間時，把此結構體添加的使用者申請空間中去，比如使用者申請12位元組的空 間，可以這樣做
Obj *p = (Obj*)malloc(12+sizeof(Obj));
p->next = NULL;
p->p = (char*)p+sizeof(Obj);
p->iSize = 12;
但是，我們并沒有采用這種方式，這種方式的一個缺點就是，使用者申請小空間時，記憶體池加料太多了。比如使用者申請12位元組時，而真實情況是記憶體池向記憶體 申請了12+ sizeof(Obj)=12+12=24位元組的記憶體空間，這樣浪費大量記憶體用在标記記憶體空間上去，并且也沒有展現索引表的優勢。Mempool采用的是 union方式
union Obj
char client_data[1];
這裡除了把上面的struct修改為union，并把int iSize去掉，同時把char*p，修改為char client_data[1]，并沒有做太多的修改。而優勢也恰恰展現在這裡。如果采用struct方式，我們需要維護兩條連結清單，一條連結清單是，已配置設定記憶體 空間連結清單，另一條是未配置設定（空閑）空間連結清單。而我們使用索引表和union結構體，隻需要維護一條連結清單，即未配置設定空間連結清單。具體如下
索引表的作用有兩條1：如上所說，維護16條空閑連結清單2：變相記錄每條連結清單上空間的大小，比如下标為3的索引表内維持着是大小為24位元組的空閑連結清單。這樣我們通過索引表減少在結構體内記錄p所指向空間大小的iSize變量。進而減少4個位元組。
Union的特性是，結構内的變量是互斥存在的。再運作狀态下，隻是存在一種變量類型。是以在這裡sizeof(Obj)的大小為4，難道這裡我們也需要把這4位元組也加到使用者申請空間中去嘛？其實不是，如果這樣，我們又抹殺了union的特性。
當我們建構空閑配置設定連結清單時，我們通過next指向下一個union結構體，這樣我們不使用p指針。當把這個結構體配置設定出去時，我們直接傳回 client_data的位址，此時client_data正好指向申請空間的首位元組。是以這樣，我們就不用在使用者申請空間上添加任何東西。
圖2
Obj的連接配接方式如上所示，這樣我們無需為使用者申請空間添加任何内容。
4：記錄申請空間位元組數
如果采用面向對象方式，或者我們在釋放記憶體池的空間時能夠明确知道釋放空間的大小，無需采用這種方式。
圖3
在C語言中的free沒有傳遞釋放空間大小，而可以正确釋放，在這裡也是模仿這種方式，采用這種記錄申請空間大小的方式去釋放記憶體。使用者申請空 間+1操作将在位元組對齊之前執行，找到合适空間後，把首位元組改寫為申請空間的大小，當然1個位元組最多紀錄256個數，如果項目需要，可以設定為short 類型或者int類型，不過這樣就需要占用使用者比較大的空間。當釋放記憶體空間時，首先讀取這個位元組，擷取空間大小，進行釋放。為了便于對大于128位元組對象 的大小進行合适的釋放，同時也對大于128位元組的記憶體申請，添加1位元組記錄大小。是以現在這裡限制了使用者記憶體申請空間不得大于255位元組，不過現在已經滿 足項目要求。當然也可以修改為用short類型記錄申請空間的大小。
// 申請
*(( unsigned char *)result) = (size_t)n;
unsigned char * pTemp = (unsigned char*)result;
++pTemp;
result = (_obj*)pTemp;
return result;
// 釋放
unsigned char * pTemp = (unsigned char *)ptr;
--pTemp;
ptr = (void*)pTemp;
n = (size_t)(*( unsigned char *)ptr);
5：記憶體池的配置設定原理
在記憶體池的設計中，有兩個重要的操作過程1：chunk_alloc，申請大塊記憶體，2：refill回填操作，記憶體池初始化化時并不是為索引表中 的每一項都建立空閑配置設定連結清單，這個過程會推遲到，隻有使用者提取請求時才會建立這樣的配置設定連結清單。詳細參考如下代碼（在sgi中stl_alloc.h檔案中 你也可以看到這兩個函數），主要步驟在注釋中已經說明。
/**
* @bri: 申請大塊記憶體，并傳回size*(*nobjs)大小的記憶體塊
* @param: size,round_up對齊後的大小,nobjs
* @return: 傳回指向第一個對象記憶體指針
*/
static char* chunk_alloc(size_t size, int *nobjs)
/**< 傳回指針 */
char* __result;
/**< 申請記憶體塊大小 */
size_t __total_bytes = size *(*nobjs);
/**< 目前記憶體可用空間 */
size_t __bytes_left = _end_free - _start_free;
/**< 記憶體池中還有大片可用記憶體 */
if (__bytes_left >= __total_bytes)
{
__result = _start_free;
_start_free += __total_bytes;
return (__result);
}
/**< 至少還有一個對象大小的記憶體空間 */
else if (__bytes_left >= size)
*nobjs = (int)(__bytes_left/size);
__total_bytes = size * (*nobjs);
/**< 記憶體池中沒有任何空間 */
else
/**< 重新申請記憶體池的大小 */
size_t __bytes_to_get = 2 * __total_bytes + round_up(_heap_size >> 4);
/**< 把記憶體中剩餘的空間添加到freelist中 */
if(__bytes_left > 0)
{
_obj *VOLATILE* __my_free_list =
_free_list + freelist_index(__bytes_left);
((_obj*)_start_free)->free_list_link =
*__my_free_list;
*__my_free_list = (_obj*)_start_free;
}
// 申請新的大塊空間
_start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);
/*=======================================================================*/
memset(_start_free,0,__bytes_to_get);
// 系統記憶體已經無可用記憶體，那麼從記憶體池中壓縮記憶體
if(0 == _start_free)
size_t __i;
_obj *VOLATILE* __my_free_list;
_obj *__p;
/**< 從freelist中逐項檢查可用空間(此時隻收集比size對象大的記憶體空間) */
for (__i = size; __i <= (size_t)__MAX_BYTES; __i += __ALIGN)
{
__my_free_list = _free_list + freelist_index(__i);
__p = *__my_free_list;
/**< 找到空閑塊 */
if (__p != 0)
{
*__my_free_list = __p->free_list_link;
_start_free = (char*)__p;
_end_free = _start_free + __i;
return (chunk_alloc(size,nobjs));
}
}
_end_free = 0;
/**< 再次申請記憶體，可能觸發一個異常 */
_start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);
/**< 記錄目前記憶體池的容量 */
_heap_size += __bytes_to_get;
_end_free = _start_free + __bytes_to_get;
return (chunk_alloc(size,nobjs));
/*=======================================================================*/
* @bri: 填充freelist的連接配接，預設填充20個
* @param: __n，填充對象的大小，8位元組對齊後的value
* @return: 空閑
*/
static void* refill(size_t n)
int __nobjs = 20;
char* __chunk = (char*)chunk_alloc(n, &__nobjs);
_obj *VOLATILE* __my_free_list;
_obj *VOLATILE* __my_free_list1;
_obj * __result;
_obj * __current_obj;
_obj * __next_obj;
int __i;
// 如果記憶體池中僅有一個對象
if (1 == __nobjs)
return(__chunk);
__my_free_list = _free_list + freelist_index(n);
/* Build free list in chunk */
__result = (_obj*)__chunk;
*__my_free_list = __next_obj = (_obj*)(__chunk + n);
__my_free_list1 = _free_list + freelist_index(n);
for (__i = 1;; ++__i)
__current_obj = __next_obj;
__next_obj = (_obj*)((char*)__next_obj+n);
if(__nobjs - 1 == __i)
__current_obj->free_list_link = 0;
break;
}else{
__current_obj->free_list_link = __next_obj;
return(__result);
經過上面操作後，記憶體池可能會成為如下的一種狀态。從圖上我們可以看到，已經建構了8，24，88，128位元組的空閑配置設定連結清單，而其他沒有配置設定空閑 配置設定連結清單的他們的指針都指向NULL。我們通過判斷索引表中的指針是否為NULL，知道是否已經建構空閑配置設定表或者空閑配置設定表是否用完，如果此處指針為 NULL，我們調用refill函數，重新申請20個這樣大小的記憶體空間，并把他們連接配接起來。在refill函數内，我們要檢視大記憶體中是否有可用記憶體， 如果有，并且大小合适，就傳回給refill函數。
圖4
6：線程安全
采用互斥體，保證線程安全。
記憶體池測試
記憶體池的測試主要分兩部分測試1：單線程下malloc與mempool的配置設定速度對比2：多線程下malloc和mempool的配置設定速度對比，我們分為4，10，16個線程進行測試了。
測試環境：作業系統：windows2003+sp1，VC7.1+sp1，硬體環境：intel(R) Celeron(R) CPU 2.53GHz,512M實體記憶體。
申請記憶體空間設定如下
#define ALLOCNUMBER0 4
#define ALLOCNUMBER1 7
#define ALLOCNUMBER2 23
#define ALLOCNUMBER3 56
#define ALLOCNUMBER4 10
#define ALLOCNUMBER5 60
#define ALLOCNUMBER6 5
#define ALLOCNUMBER7 80
#define ALLOCNUMBER8 9
#define ALLOCNUMBER9 100
Malloc方式和mempool方式均使用如上資料進行記憶體空間的申請和釋放。申請過程，每次循環申請釋放上述資料20次
我們對malloc和mempool，分别進行了如下申請次數的測試（機關為萬）
20
30
50
100
150
200
malloc和mempool在單線程，多線程，release，debug版的各種測試資料，形成如下的統計圖
圖5
可以看到mempool無論在多線程還是在單線程情況下，mempool的速度都優于malloc方式的直接配置設定。
Malloc方式debug模式下，在不同的線程下，運作時間如下，通過圖檔可知，malloc方式，在debug模式下，申請空間的速度和多線程的關系不大。多線程方式，要略快于單線程的運作實作。
圖6
Malloc方式release模式測試結果如下。
圖7
多線程的優勢，逐漸展現出來。當執行200w次申請和釋放時，多線程要比單線程快1500ms左右，而4，10，16個線程之間的差别并不是特别大。不過整體感覺4個線程的運作時間要稍微高于10，16個線程的情況下，意味着程序中線程越多用線上程切換上的時間就越多。
下面是mempool在debug測試結果
圖8
下面是mempool在release模式下的測試結果
圖9
以上所有統計圖中所用到的資料，是我們測試三次後平均值。
通過上面的測試，可以知道mempool的性能基本上超過直接malloc方式，在200w次申請和釋放的情況下，單線程release版情況 下，mempool比直接malloc快110倍。而在4個線程情況下，mempool要比直接malloc快7倍左右。以上測試隻是申請速度的測試，在 不同的壓力情況下，測試結果可能會不同，測試結果也不能說明mempool方式比malloc方式穩定。
小結：記憶體池基本上滿足初期設計目标，但是她并不是完美的，有缺陷，比如,不能申請大于256位元組的記憶體空間，無記憶體越界檢查，無記憶體自動回縮功能等。隻是這些對我們的影響還不是那麼重要。
由于這是一個公司項目，代碼涉及版權，是以不能釋出出來。如果你想做自己的記憶體池，可以與我聯系ugg_xchj#hotmail.com.
來源：http://blog.csdn.net/yangzhongxuan/article/details/8017629
本文轉自夏雪冬日部落格園部落格，原文連結：http://www.cnblogs.com/heyonggang/archive/2012/12/11/2813792.html，如需轉載請自行聯系原作者