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基於C語言的內存池的設計與實現

介紹：

       設計內存池的目標是為了保證服務器長時間高效的運行，通過對申請空間小而申請頻繁的對象進行有效管理，減少內存碎片的產生，合理分配管理用戶內存，從而減少係統中出現有效空間足夠，而無法分配大塊連續內存的情況。

目標：

    此次設計內存池的基本目標，需要滿足線程安全性（多線程），適量的內存泄露越界檢查，運行效率不太低於malloc/free方式，實現對4-128字節範圍內的內存空間申請的內存池管理（非單一固定大小對象管理的內存池）。

內存池技術設計與實現

    本內存池的設計方法主要參考SGI的alloc的設計方案，為了適合一般的應用，並在alloc的基礎上做一些簡單的修改。

    Mempool的內存池設計方案如下（也可參考候捷《深入剖析STL》）

    從係統申請大塊heap內存，在此內存上劃分不同大小的區塊，並把具有相同大小的區塊連接起來，組成一個鏈表。比如A大小的塊，組成鏈表L，當申請A大小時，直接從鏈表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，直接掛接到L的頭部。內存池的原理比較簡單，但是在具體實現過程中大量的細節需要注意。

    1：字節對齊。

    為了方便內存池中對象的管理，需要對申請內存空間的進行調整，在Mempool中，字節對齊的大小為最接近8倍數的字節數。比如，用戶申請5個字節，Mempool首先會把它調整為8字節。比如申請22字節，會調整為24，對比關係如下

（圖1）

對於超過128字節的申請，直接調用malloc函數申請內存空間。這裏設計的內存池並不是對所有的對象進行內存管理，隻是對申請內存空間小，而申請頻繁的對象進行管理，對於超過128字節的對象申請，不予考慮。這個需要與實際項目結合，並不是固定不變的。實現對齊操作的函數如下

static size_t round_up(size_t size)
{
        return (((size)+7) &~ 7);// 按8字節對齊
}

2：構建索引表

內存池中管理的對象都是固定大小，現在要管理0-128字節的範圍內的對象申請空間，除了采用上麵提到的字節對齊外，還需要變通一下，這就是建立索引表，做法如下；
static _obj*  free_list[16];
創建一個包含16個_obj*指針的數組，關於_obj結構後麵詳細講解。free_list[0]記錄所有空閑空間為8字節的鏈表的首地址；free_list[1]對應16字節的鏈表，free_list[2]對應24字節的列表。free_list中的下標和字節鏈表對應關係參考圖1中的“序號”和“對齊字節”之間的關係。這種關係，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字節對齊
}

    所以，這樣當用戶申請空間A時，我們隻是通過上麵簡單的轉換，就可以跳轉到包含A字節大小的空閑鏈表上,如下；
_obj** p = free_list[freelist_index(A)];

3:構建空閑鏈表

通過索引表，我們知道mempool中維持著16條空閑鏈表，這些空閑鏈表中管理的空閑對象大小分別為8，16，24，32，40…128。這些空閑鏈表鏈接起來的方式完全相同。一般情況下我們構建單鏈表時需要創建如下的一個結構體。

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用於隻是可用空間的大小，在其他的一些內存池實現中，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，結構體中當前使用空間的變量等，當用戶申請空間時，把此結構體添加的用戶申請空間中去，比如用戶申請12字節的空間，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，我們並沒有采用這種方式，這種方式的一個缺點就是，用戶申請小空間時，內存池加料太多了。比如用戶申請12字節時，而真實情況是內存池向內存申請了12+ sizeof(Obj)=12+12=24字節的內存空間，這樣浪費大量內存用在標記內存空間上去，並且也沒有體現索引表的優勢。Mempool采用的是union方式

union Obj
{
    Obj *next;
    char client_data[1];
}

這裏除了把上麵的struct修改為union，並把int iSize去掉，同時把char*p，修改為char client_data[1]，並沒有做太多的修改。而優勢也恰恰體現在這裏。如果采用struct方式，我們需要維護兩條鏈表，一條鏈表是，已分配內存空間鏈表，另一條是未分配（空閑）空間鏈表。而我們使用索引表和union結構體，隻需要維護一條鏈表，即未分配空間鏈表。具體如下

索引表的作用有兩條1：如上所說，維護16條空閑鏈表2：變相記錄每條鏈表上空間的大小，比如下標為3的索引表內維持著是大小為24字節的空閑鏈表。這樣我們通過索引表減少在結構體內記錄p所指向空間大小的iSize變量。從而減少4個字節。

Union的特性是，結構內的變量是互斥存在的。再運行狀態下，隻是存在一種變量類型。所以在這裏sizeof(Obj)的大小為4，難道這裏我們也需要把這4字節也加到用戶申請空間中去嘛？其實不是，如果這樣，我們又抹殺了union的特性。

當我們構建空閑分配鏈表時，我們通過next指向下一個union結構體，這樣我們不使用p指針。當把這個結構體分配出去時，我們直接返回client_data的地址，此時client_data正好指向申請空間的首字節。所以這樣，我們就不用在用戶申請空間上添加任何東西。

圖2

    Obj的連接方式如上所示，這樣我們無需為用戶申請空間添加任何內容。   

4：記錄申請空間字節數

如果采用麵向對象方式，或者我們在釋放內存池的空間時能夠明確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，而可以正確釋放，在這裏也是模仿這種方式，采用這種記錄申請空間大小的方式去釋放內存。用戶申請空間+1操作將在字節對齊之前執行，找到合適空間後，把首字節改寫為申請空間的大小，當然1個字節最多紀錄256個數，如果項目需要，可以設置為short類型或者int類型，不過這樣就需要占用用戶比較大的空間。當釋放內存空間時，首先讀取這個字節，獲取空間大小，進行釋放。為了便於對大於128字節對象的大小進行合適的釋放，同時也對大於128字節的內存申請，添加1字節記錄大小。所以現在這裏限製了用戶內存申請空間不得大於255字節，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：內存池的分配原理

在內存池的設計中，有兩個重要的操作過程1：chunk_alloc，申請大塊內存，2：refill回填操作，內存池初始化化時並不是為索引表中的每一項都創建空閑分配鏈表，這個過程會推遲到，隻有用戶提取請求時才會創建這樣的分配鏈表。詳細參考如下代碼（在sgi中stl_alloc.h文件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: 申請大塊內存，並返回size*(*nobjs)大小的內存塊
* @param: size,round_up對齊後的大小,nobjs
* @return: 返回指向第一個對象內存指針
*/
static char* chunk_alloc(size_t size, int *nobjs)
{
     /**< 返回指針 */
     char* __result;
     /**< 申請內存塊大小 */
     size_t __total_bytes = size *(*nobjs);
     /**< 當前內存可用空間 */
     size_t __bytes_left = _end_free - _start_free;

     /**< 內存池中還有大片可用內存 */
     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內存空間 */
     else if (__bytes_left >= size)
     {
         *nobjs = (int)(__bytes_left/size);
         __total_bytes = size * (*nobjs);
         __result = _start_free;
         _start_free += __total_bytes;
         return (__result);
     }
     /**< 內存池中沒有任何空間 */
     else
     {
         /**< 重新申請內存池的大小 */
         size_t __bytes_to_get = 2 * __total_bytes + round_up(_heap_size >> 4);
         /**< 把內存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);
         /*=======================================================================*/
         // 係統內存已經無可用內存，那麼從內存池中壓縮內存
         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對象大的內存空間) */
              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;
              /**< 再次申請內存，可能觸發一個異常 */
              _start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);
         }
         /**< 記錄當前內存池的容量 */
         _heap_size += __bytes_to_get;
         _end_free = _start_free + __bytes_to_get;
         return (chunk_alloc(size,nobjs));
     }
}

/*=======================================================================*/
/**
 * @bri: 填充freelist的連接，默認填充20個
 * @param: __n，填充對象的大小，8字節對齊後的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;
     // 如果內存池中僅有一個對象
     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);
}

經過上麵操作後，內存池可能會成為如下的一種狀態。從圖上我們可以看到，已經構建了8，24，88，128字節的空閑分配鏈表，而其他沒有分配空閑分配鏈表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，知道是否已經構建空閑分配表或者空閑分配表是否用完，如果此處指針為NULL，我們調用refill函數，重新申請20個這樣大小的內存空間，並把他們連接起來。在refill函數內，我們要查看大內存中是否有可用內存，如果有，並且大小合適，就返回給refill函數。

圖4

    6：線程安全
    采用互斥體，保證線程安全。

內存池測試

    內存池的測試主要分兩部分測試1：單線程下malloc與mempool的分配速度對比2：多線程下malloc和mempool的分配速度對比，我們分為4，10，16個線程進行測試了。
    測試環境：操作係統：windows2003+sp1，VC7.1+sp1，硬件環境：intel(R) Celeron(R) CPU 2.53GHz,512M物理內存。

    申請內存空間設定如下
#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方式均使用如上數據進行內存空間的申請和釋放。申請過程，每次循環申請釋放上述數據20次
    我們對malloc和mempool，分別進行了如下申請次數的測試（單位為萬）

圖5

可以看到mempool無論在多線程還是在單線程情況下，mempool的速度都優於malloc方式的直接分配。

    Malloc方式debug模式下，在不同的線程下，運行時間如下，通過圖片可知，malloc方式，在debug模式下，申請空間的速度和多線程的關係不大。多線程方式，要略快於單線程的運行實現。

圖6

    Malloc方式release模式測試結果如下。

圖7

多線程的優勢，逐漸體現出來。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個線程之間的差別並不是特別大。不過整體感覺4個線程的運行時間要稍微高於10，16個線程的情況下，意味著進程中線程越多用在線程切換上的時間就越多。

下麵是mempool在debug測試結果

圖8

    下麵是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數據，是我們測試三次後平均值。

通過上麵的測試，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：內存池基本上滿足初期設計目標，但是她並不是完美的，有缺陷，比如,不能申請大於256字節的內存空間，無內存越界檢查，無內存自動回縮功能等。隻是這些對我們的影響還不是那麼重要。

由於這是一個公司項目，代碼涉及版權，所以不能發布出來。如果你想做自己的內存池，可以與我聯係ugg_xchj#hotmail.com.

最後更新：2017-04-02 00:06:15

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