内存池及实现

1.池化技术

池是一种设计模式，其内涵在于：将程序中需要经常使用的核心资源先申请出来，放到一个池内，由程序自己管理，这样可以提高资源的使用效率，也可以保证本程序占有的资源数量。

如下图：

jemalloc的内存池_c++


通俗的说，就是把资源放在一个池里，方便调用。经常使用的池技术包括内存池、线程池和连接池等，其中尤以内存池和线程池使用最多。

2.内存池

内存池(Memory Pool) 是一种动态内存分配与管理技术。

内存碎片问题

jemalloc的内存池_项目_02


当对如下资源做申请、释放时候，按理是有释放掉的内存（10），但此时内存不一定连续。因此再申请大一点的内存时（如9个字节），此时申请是失败的。那么大小分别为4、6的两个内存块就是内存碎片。

通常情况下，程序员习惯直接使用 new、delete、malloc、free 等API申请分配和释放内存，当程序长时间运行时，频繁使用时会造成大量的内存碎片从而降低程序和操作系统的性能。

申请效率问题

jemalloc的内存池_c++_03


通俗说法，假设爸妈需,给你提供生活费。

第二种方式：每次你需要钱，就向爸妈申请一次：妈我要吃早饭，给我5块；妈我要吃雪糕，给我5块等等。

第一种方式：把池想象成每个月的限额，按一个月5千算，爸妈一次给够你5000，你自行分配。当你花了1000时，池里还剩下4000，今天你勤工俭学赚了500块，你也可以放进去，这样池里就变成4500，如果5000花完了，也可以再向他们申请。

由于内存碎片问题和申请效率的问题，因此必须使用内存池

3.内存池实现

即实现一个 FreeList，每个 FreeList 用于分配固定大小的内存块，比如用于分配 32字节对象的固定内存分配器之类的。每个固定内存分配器里面有两个链表，OpenList 用于存储未分配的空闲对象，CloseList用于存储已分配的内存对象，那么所谓的分配就是从 OpenList 中取出一个对象放到 CloseList 里并且返回给用户，释放又是从 CloseList 移回到 OpenList。分配时如果不够，那么就需要增长 OpenList：申请一个大一点的内存块，切割成比如 64 个相同大小的对象添加到OpenList中。这个固定内存分配器回收的时候，统一把先前向系统申请的内存块全部还给系统。
优点：简单粗暴，200行代码就可以搞定，分配和释放的效率高，解决实际中特定场景下的问题有效。
缺点：功能单一，只能解决定长的内存需求，另外占着内存没有释放。

4.内存池的应用场景

  1. 需要频繁分配和释放小块内存的情况：如字符串的拼接、复制和删除等操作。内存池可以快速地从预先分配的内存块中分配内存，提高内存分配的效率。
  2. 需要大量内存分配和释放的情况：如数据处理、文件读写等操作。使用内存池可以避免频繁地向操作系统申请内存，减少内核态和用户态之间的切换次数，从而提高程序的性能。
  3. 需要长时间运行的程序：如服务器、游戏等。这些程序需要稳定、高效的内存管理，内存池可以满足这一需求。
  4. 需要减少内存碎片的情况：如嵌入式系统、实时操作系统等。内存池可以预先分配一定数量的内存，并将其组织为一组内存块，从而减少内存碎片的产生，提高内存的利用率。

5.内存池的优缺点

优点：

  • 提高性能：通过减少向操作系统申请内存的次数，降低了内核态和用户态之间的切换次数，从而提高了程序的性能。
  • 减少内存碎片：预先分配并管理内存块，可以避免频繁的内存分配和释放导致的内存碎片问题。
  • 高效管理：内存池中的内存块可以被快速分配和回收，提高了内存管理的效率。

缺点：

  • 内存浪费：特别是当使用固定大小内存池时，如果申请的内存大小与内存池中的内存块大小不匹配，可能会导致内存空间的浪费。
  • 实现复杂：内存池的实现需要考虑多线程环境下的并发访问、内存碎片的管理等问题，实现起来相对复杂。
  • 多线程竞争：在高并发环境下，多个线程同时访问内存池可能会导致性能下降和线程安全问题。

请注意，以上优缺点是基于一般情况的描述，具体的内存池实现可能会有所不同。因此，在实际应用中，需要根据具体的需求和场景来选择合适的内存池实现方式。

6、内存池和静态内存池有什么区别

内存池和静态内存池在内存管理中都扮演着重要角色，但它们之间存在明显的区别。以下是它们之间的主要差异：

定义与特点：

  • 内存池：是一种内存分配方式，又被称为固定大小区块规划（fixed-size-blocks allocation）。它通常在真正使用内存之前，先申请分配一定数量的、大小相等（或相近）的内存块留作备用。内存池的目的是为了提高内存分配的效率，并尽量避免内存碎片。
  • 静态内存池：是内存池的一种特定形式，实质上是一个静态数组。静态内存池内的块大小在初始化时设定，并且一旦初始化完成，内部的内存块大小将不能再做调整。静态内存池由一个控制块和若干相同大小的内存块构成，控制块位于内存池头部，用于内存块管理。

内存分配与释放：

  • 内存池：在创建时先向系统申请一大块内存，然后分成大小相等的多个小内存块。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块。如果内存块不够，再继续申请新的内存。内存块的申请和释放以块大小为粒度。
  • 静态内存池：在初始化时预设（固定）大小的内存块，并且内存块的大小在初始化后不可变更。内存块的申请和释放也是以块大小为粒度，每个内存块包含指向下一个内存块的指针。

适用场景：

  • 内存池：适用于需要频繁分配和释放小块内存，或者需要大量内存分配和释放的场景。例如，字符串的拼接、复制和删除等操作，以及数据处理、文件读写等操作。
  • 静态内存池：更适用于需要长时间运行的程序，或者需要固定长度内存块的场景。当用户需要使用固定长度的内存时，可以通过静态内存分配的方式获取内存，一旦使用完毕，通过静态内存释放函数归还所占用内存，使之可以重复使用。

优缺点：

  • 内存池：优点在于提高了内存分配的效率，减少了内存碎片。缺点在于如果申请的内存大小与内存池中的内存块大小不匹配，可能会导致内存空间的浪费。
  • 静态内存池：优点在于分配和释放效率高，静态内存池中无碎片。缺点在于只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请，且一旦初始化完成，内存块大小不可调整。

综上所述，内存池和静态内存池在定义、内存分配与释放、适用场景以及优缺点等方面存在明显的区别。选择使用哪种内存管理方式，需要根据具体的应用场景和需求来决定。