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分类: WINDOWS

2011-05-09 20:19:00

本文翻译版本出自

http://blog.csdn.net/060/archive/2006/10/08/1326025.aspx

原文作者: . 

原文链接: 

C++ 内存池

l  

l  

目录
引言
它怎样工作
示例
使用这些代码
好处
关于代码
ToDo
历史
 
引言
C/C++的内存分配(通过mallocnew)可能需要花费很多时。
更糟糕的是,随着时间的流逝,内存(memory)将形成碎片,所以一个应用程序的运行会越来越慢当它运行了很长时间和/或执行了很多的内存分配(释放)操作的时候。特别是,你经常申请很小的一块内存,堆(heap)会变成碎片的。
解决方案:你自己的内存池
一个(可能的)解决方法是内存池(Memory Pool)
在启动的时候,一个内存池”(Memory Pool)分配一块很大的内存,并将会将这个大块(block)分成较小的块(smaller chunks)。每次你从内存池申请内存空间时,它会从先前已经分配的块(chunks)中得到,而不是从操作系统。最大的优势在于:
非常少(几没有堆碎片
比通常的内存申请/释放(比如通过mallocnew)的方式快
另外,你可以得到以下好处:
检查任何一个指针是否在内存池里
写一个堆转储(Heap-Dump)”到你的硬盘(对事后的调试非常有用)
某种内存泄漏检测(memory-leak detection)”:当你没有释放所有以前分配的内存时,内存池(Memory Pool)会抛出一个断言(assertion).
它怎样工作
让我们看一看内存池(Memory Pool)UML模式图:
Memory Pool UML schema
这个模式图只显示了类CMemoryPool的一小部分,参看由Doxygen生成的文档以得到详细的类描述。
 
一个关于内存块(MemoryChunks)的单词
你应该从模式图中看到,内存池(Memory Pool)管理了一个指向结构体SMemoryChunk (m_ptrFirstChunkm_ptrLastChunk, and m_ptrCursorChunk)的指针。这些块(chunks)建立一个内存块(memory chunks)的链表。各自指向链表中的下一个块(chunk)。当从操作系统分配到一块内存时,它将完全的被SMemoryChunks管理。让我们近一点看看一个块(chunk)

typedef struct SMemoryChunk
{
  TByte 
*Data ;             // The actual Data

  std::size_t DataSize ;    // Size of the "Data"-Block
  std::size_t UsedSize ;    // actual used Size
  bool IsAllocationChunk ;  // true, when this MemoryChunks
                            
//
 Points to a "Data"-Block
                            
// which can be deallocated via "free()"

  SMemoryChunk *Next ;      // Pointer to the Next MemoryChunk
                            
// in the List (may be NULL)


}
 SmemoryChunk;
每个块(chunk)持有一个指针,指针指向:
一小块内存(Data)
从块(chunk)开始的可用内存的总大小(DataSize)
实际使用的大小(UsedSize)
以及一个指向链表中下一个块(chunk)的指针。
第一步:预申请内存(pre-allocating the memory)
当你调用CmemoryPool的构造函数,内存池(Memory Pool)将从操作系统申请它的第一块(大的)内存块(memory-chunk)
/*Constructor
*****************
*/

CMemoryPool::CMemoryPool(
const std::size_t &sInitialMemoryPoolSize,
                         
const std::size_t &sMemoryChunkSize,
                         
const std::size_t &sMinimalMemorySizeToAllocate,
                         
bool bSetMemoryData)
{
  m_ptrFirstChunk  
= NULL ;
  m_ptrLastChunk   
= NULL ;
  m_ptrCursorChunk 
= NULL ;

  m_sTotalMemoryPoolSize 
= 0 ;
  m_sUsedMemoryPoolSize  
= 0 ;
  m_sFreeMemoryPoolSize  
= 0 ;

  m_sMemoryChunkSize   
= sMemoryChunkSize ;
  m_uiMemoryChunkCount 
= 0 ;
  m_uiObjectCount      
= 0 ;

  m_bSetMemoryData               
= bSetMemoryData ;
  m_sMinimalMemorySizeToAllocate 
= sMinimalMemorySizeToAllocate ;

  
// Allocate the Initial amount of Memory from the Operating-System...
  AllocateMemory(sInitialMemoryPoolSize) ;
}

类的所有成员通用的初始化在此完成,AllocateMemory最终完成了从操作系统申请内存。
/******************
AllocateMemory
*****************
*/

bool CMemoryPool::AllocateMemory(const std::size_t &sMemorySize)
{
  std::size_t sBestMemBlockSize 
= CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;
  
// allocate from Operating System
  TByte *ptrNewMemBlock = (TByte *) malloc (sBestMemBlockSize) ;
  ...
那么,是如何管理数据的呢?
第二步:已分配内存的分割(segmentation of allocated memory)
正如前面提到的,内存池(Memory Pool)使用SMemoryChunks管理所有数据。从OS申请完内存之后,我们的块(chunks)和实际的内存块(block)之间就不存在联系:
Memory Pool after initial allocation
Memory Pool after initial allocation
我们需要分配一个结构体SmemoryChunk的数组来管理内存块:
  // (AllocateMemory()continued) : 
  ...
  unsigned 
int uiNeededChunks = CalculateNeededChunks(sMemorySize) ;
  
// allocate Chunk-Array to Manage the Memory
  SMemoryChunk *ptrNewChunks = 
    (SMemoryChunk 
*) malloc ((uiNeededChunks * sizeof(SMemoryChunk))) ;
  assert(((ptrNewMemBlock) 
&& (ptrNewChunks)) 
                           
&& "Error : System ran out of Memory") ;
  ...
CalculateNeededChunks()负责计算为管理已经得到的内存需要的块(chunks)的数量。分配完块(chunks)之后(通过malloc)ptrNewChunks将指向一个SmemoryChunks的数组。注意,数组里的块(chunks)现在持有的是垃圾数据,因为我们还没有给chunk-members赋有用的数据。内存池的堆(Memory Pool-"Heap"):
after SMemoryChunk allocation
Memory Pool after SMemoryChunk allocation
还是那句话,数据块(data block)chunks之间没有联系。但是,AllocateMemory()会照顾它。LinkChunksToData()最后将把数据块(data block)chunks联系起来,并将为每个chunk-member赋一个可用的值。
// (AllocateMemory()continued) : 
  ...
  
// Associate the allocated Memory-Block with the Linked-List of MemoryChunks
  return LinkChunksToData(ptrNewChunks, uiNeededChunks, ptrNewMemBlock) ;
让我们看看LinkChunksToData()
/******************
LinkChunksToData
*****************
*/

bool CMemoryPool::LinkChunksToData(SMemoryChunk *ptrNewChunks, 
     unsigned 
int uiChunkCount, TByte *ptrNewMemBlock)
{
  SMemoryChunk 
*ptrNewChunk = NULL ;
  unsigned 
int uiMemOffSet = 0 ;
  
bool bAllocationChunkAssigned = false ;
  
for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
  
{
    
if(!m_ptrFirstChunk)
    
{
      m_ptrFirstChunk 
= SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[0])) ;
      m_ptrLastChunk 
= m_ptrFirstChunk ;
      m_ptrCursorChunk 
= m_ptrFirstChunk ;
    }

    
else
    
{
      ptrNewChunk 
= SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[i])) ;
      m_ptrLastChunk
->Next = ptrNewChunk ;
      m_ptrLastChunk 
= ptrNewChunk ;
    }

    
    uiMemOffSet 
= (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
    m_ptrLastChunk
->Data = &(ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ;

    
// The first Chunk assigned to the new Memory-Block will be 
    
// a "AllocationChunk". This means, this Chunks stores the
    
// "original" Pointer to the MemBlock and is responsible for
    
// "free()"ing the Memory later....
    if(!bAllocationChunkAssigned)
    
{
      m_ptrLastChunk
->IsAllocationChunk = true ;
      bAllocationChunkAssigned 
= true ;
    }

  }

  
return RecalcChunkMemorySize(m_ptrFirstChunk, m_uiMemoryChunkCount) ;
}

让我们一步步地仔细看看这个重要的函数:第一行检查链表里是否已经有可用的块(chunks):
  ...
  
if(!m_ptrFirstChunk)
  ...
我们第一次给类的成员赋值:
  ...
  m_ptrFirstChunk 
= SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[0])) ;
  m_ptrLastChunk 
= m_ptrFirstChunk ;
  m_ptrCursorChunk 
= m_ptrFirstChunk ;
  ...
m_ptrFirstChunk现在指向块数组(chunks-array)第一个块,每一个块严格的管理来自内存(memory block)m_sMemoryChunkSize个字节。一个偏移量”(offset)——这个值是可以计算的所以每个(chunk)能够指向内存块(memory block)的特定部分。
 
  uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
  m_ptrLastChunk
->Data = &(ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ; 
另外,每个新的来自数组的SmemoryChunk将被追加到链表的最后一个元素(并且它自己将成为最后一个元素):
  ...
  m_ptrLastChunk
->Next = ptrNewChunk ;
  m_ptrLastChunk 
= ptrNewChunk ;
  ...
在接下来的"for loop中,内存池(memory pool)将连续的给数组中的所有块(chunks)赋一个可用的数据。
Memory and chunks linked together
Memory and chunks linked together, pointing to valid data
最后,我们必须重新计算每个块(chunk)能够管理的总的内存大小。这是一个费时的,但是在新的内存追加到内存池时必须做的一件事。这个总的大小将被赋值给chunk的DataSize 成员。
/******************
RecalcChunkMemorySize
*****************
*/

bool CMemoryPool::RecalcChunkMemorySize(SMemoryChunk *ptrChunk, 
                  unsigned 
int uiChunkCount)
{
  unsigned 
int uiMemOffSet = 0 ;
  
for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
  
{
    
if(ptrChunk)
    
{
      uiMemOffSet 
= (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
      ptrChunk
->DataSize = 
        (((unsigned 
int) m_sTotalMemoryPoolSize) - uiMemOffSet) ;
      ptrChunk 
= ptrChunk->Next ;
    }

    
else
    
{
     assert(
false && "Error : ptrChunk == NULL") ;
     
return false ;
    }

  }

  
return true ;
}

RecalcChunkMemorySize之后,每个chunk都知道它指向的空闲内存的大小。所以,将很容易确定一个chunk是否能够持有一块特定大小的内存:当DataSize成员大于(或等于)已经申请的内存大小以及DataSize成员是0,于是chunk有能力持有一块内存。最后,内存分割完成了。为了不让事情太抽象,我们假定内存池(memory pool )包含600字节,每个chunk持有100字节。
Memory segmentation finished.
  
Memory segmentation finished. Each chunk manages exactly 100 bytes
第三步:从内存池申请内存(requesting memory from the memory pool)
那么,如果用户从内存池申请内存会发生什么?最初,内存池里的所有数据是空闲的可用的:
 
All memory blocks are available
All memory blocks are available
我们看看GetMemory:
/******************
GetMemory
*****************
*/

void *CMemoryPool::GetMemory(const std::size_t &sMemorySize)
{
  std::size_t sBestMemBlockSize 
= CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;  
  SMemoryChunk 
*ptrChunk = NULL ;
  
while(!ptrChunk)
  
{
    
// Is a Chunks available to hold the requested amount of Memory ?
    ptrChunk = FindChunkSuitableToHoldMemory(sBestMemBlockSize) ;
    
if (!ptrChunk)
    
{
      
// No chunk can be found
      
// => Memory-Pool is to small. We have to request 
      
//    more Memory from the Operating-System....
      sBestMemBlockSize = MaxValue(sBestMemBlockSize, 
        CalculateBestMemoryBlockSize(m_sMinimalMemorySizeToAllocate)) ;
      AllocateMemory(sBestMemBlockSize) ;
    }

  }


  
// Finally, a suitable Chunk was found.
  
// Adjust the Values of the internal "TotalSize"/"UsedSize" Members and 
  
// the Values of the MemoryChunk itself.
  m_sUsedMemoryPoolSize += sBestMemBlockSize ;
  m_sFreeMemoryPoolSize 
-= sBestMemBlockSize ;
  m_uiObjectCount
++ ;
  SetMemoryChunkValues(ptrChunk, sBestMemBlockSize) ;

  
// eventually, return the Pointer to the User
  return ((void *) ptrChunk->Data) ;
}

当用户从内存池中申请内存是,它将从链表搜索一个能够持有被申请大小的chunk。那意味着:
那个chunk的DataSize必须大于或等于被申请的内存的大小; 
那个chunk的UsedSize 必须是0
 
这由 FindChunkSuitableToHoldMemory  方法完成。如果它返回NULL,那么在内存池中没有可用的内存。这将导致AllocateMemory 的调用(上面讨论过),它将从OS申请更多的内存。如果返回值不是NULL一个可用的chunk被发现。SetMemoryChunkValues会调整chunk成员的值,并且最后Data指针被返回给用户...
/******************
    SetMemoryChunkValues
    *****************
*/

void CMemoryPool::SetMemoryChunkValues(SMemoryChunk *ptrChunk, 
     
const std::size_t &sMemBlockSize)
{
  
if(ptrChunk) 
  
{
    ptrChunk
->UsedSize = sMemBlockSize ;
  }

  ...
    }
 
示例
假设,用户从内存池申请250字节:
 
Memory in use
 
Memory in use
如我们所见,每个内存块(chunk)管理100字节,所以在这里250字节不是很合适。发生了什么事?Well,GetMemory 从第一个chunk返回 Data指针并把它的UsedSize设为300字节,因为300字节是能够被管理的内存的最小值并大于等于250。那些剩下的(300 - 250 = 50)字节被称为内存池的"memory overhead"。这没有看起来的那么坏,因为这些内存还可以使用(它仍然在内存池里)
FindChunkSuitableToHoldMemory搜索可用chunk时,它仅仅从一个空的chunk跳到另一个空的chunk。那意味着,如果某个人申请另一块内存(memory-chunk),第四块(持有300字节的那个)会成为下一个可用的("valid") chunk
 
Jump to next valid chunk
Jump to next valid chunk
使用代码
使用这些代码是简单的、直截了当的:只需要在你的应用里包含"CMemoryPool.h",并添加几个相关的文件到你的IDE/Makefile:
  • CMemoryPool.h
  • CMemoryPool.cpp
  • IMemoryBlock.h
  • SMemoryChunk.h
你只要创建一个CmemoryPool类的实例,你就可以从它里面申请内存。所有的内存池的配置在CmemoryPool类的构造函数(使用可选的参数)里完成。看一看头文件("CMemoryPool.h")Doxygen-doku。所有的文件都有详细的(Doxygen-)文档。
应用举例
MemPool::CMemoryPool *g_ptrMemPool = new MemPool::CMemoryPool() ;
char *ptrCharArray = (char *) g_ptrMemPool->GetMemory(100) ;
...
g_ptrMemPool
->FreeMemory(ptrCharArray, 100) ;
delete g_ptrMemPool ;
好处
内存转储(Memory dump)
你可以在任何时候通过WriteMemoryDumpToFile(strFileName)写一个"memory dump"到你的HDD。看看一个简单的测试类的构造函数(使用内存池重载了newdelete运算符)
 
/******************
Constructor
*****************
*/

MyTestClass::MyTestClass()
{
   m_cMyArray[
0= 'H' ;
   m_cMyArray[
1= 'e' ;
   m_cMyArray[
2= 'l' ;
   m_cMyArray[
3= 'l' ;
   m_cMyArray[
4= 'o' ;
   m_cMyArray[
5= NULL ;
   m_strMyString 
= "This is a small Test-String" ;
   m_iMyInt 
= 12345 ;

   m_fFloatValue 
= 23456.7890f ;
   m_fDoubleValue 
= 6789.012345 ;

   Next 
= this ;
}

MyTestClass *ptrTestClass = new MyTestClass ; 
g_ptrMemPool
->WriteMemoryDumpToFile("MemoryDump.bin") ;
看一看内存转储文件("MemoryDump.bin"):
如你所见,在内存转储里有MyTestClass类的所有成员的值。明显的,"Hello"字符串(m_cMyArray)在那里,以及整型数m_iMyInt (3930 0000 = 0x3039 = 12345 decimal)等等。这对调式很有用。
速度测试
我在Windows平台上做了几个非常简单的测试(通过timeGetTime()),但是结果说明内存池大大提高了应用程序的速度。所有的测试在Microsoft Visual Studio .NET 2003debug模式下(测试计算机Intel Pentium IV Processor (32 bit), 1GB RAM, MS Windows XP Professional).
//Array-test (Memory Pool): 
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
        
// ArraySize = 1000
    char *ptrArray = (char *) g_ptrMemPool->GetMemory(ArraySize)  ;
    g_ptrMemPool
->FreeMemory(ptrArray, ArraySize) ;
}

  
    
//Array-test (Heap):
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
        
// ArraySize = 1000
    char *ptrArray = (char *) malloc(ArraySize)  ;
    free(ptrArray) ;
   }

Results for the "array-test
 
    //Class-Test for MemoryPool and Heap (overloaded new/delete)
 //Class-Test for MemoryPool and Heap (overloaded new/delete) 
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
    MyTestClass 
*ptrTestClass = new MyTestClass ;
    delete ptrTestClass ;
}

 
Results for the "classes-test" (overloaded new/delete operators)
关于代码
这些代码在Windows和Linux平台的下列编译器测试通过:
  • Microsoft Visual C++ 6.0
  • Microsoft Visual C++ .NET 2003
  • MinGW (GCC) 3.4.4 (Windows)
  • GCC 4.0.X (Debian GNU Linux)
Microsoft Visual C++ 6.0(*.dsw*.dsp)Microsoft Visual C++ .NET 2003 (*.sln*.vcproj)的工程文件已经包含在下载中。内存池仅用于ANSI/ISO C++,所以它应当在任何OS上的标准的C++编译器编译。在64位处理器上应当没有问题。
注意:内存池不是线程安全的。
这个内存池还有许多改进的地方;-) ToDo列表包括:
对于大量的内存,memory-"overhead"能够足够大。
某些CalculateNeededChunks调用能够通过从新设计某些方法而去掉
更多的稳定性测试(特别是对于那些长期运行的应用程序)
做到线程安全。
 
历史
05.09.2006: Initial release
 
EoF
DanDanger2000
 
 
 
 
 
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