内存池的实现

概述：本文介绍用户层内存池的实现

Q:为什么需要内存池？

A：在项目中，用户层通过malloc系统调用申请内存的次数可能很多 ，每一次malloc系统调用 ，都会引起用户态------内核态的切换 ，这样的开销对性能的影响是不容忽视的，尤其是当你为了申请一段很小的空间而调用malloc时，性能的损失达到了最大化

Q:什么是内存池？

解决方案：只调用一次malloc

A:只调用一次malloc申请足够大的内存空间，后续需要使用内存时，从已申请的内存中取出一块，这就是内存池的概念

这样就避免了频繁进行malloc系统调用，大大降低了性能损失

内存池的实现

思路：

1.内存池的空间由一次malloc调用分配

2.此时的内存池是一整块连续的内存空间

3.使用时，每次应该分配出一小块（固定大小或任意大小）

4.用户调用malloc申请内存，应该得到一块空间的起始地址

5.用户free归还一块内存时，这块内存需要能被重复使用

为了简要说明原理，本文介绍分配固定大小的内存池版本

后面使用到的二级指针，不懂的朋友可以先移步博主的 数据结构专栏------二级指针 这篇文章

1.内存池结构体定义：

typedef struct mempool_s {
    int block_size; // 内存池最小单元大小
    int free_count; // 空余block数量

    char *free_ptr; // 当前空余的块的地址 
    char *mem; // 整个内存池的首地址
} mempool_t;

2.初始化，为内存池申请空间：

int mp_init(mempool_t *m, int size) { // 初始化内存池，指定大小

    if (!m) return -1;
    if (size < 16) size = 16; // 最小内存池尺寸为 16字节

    m->block_size = size;

    m->mem = (char *)malloc(MEM_PAGE_SIZE); // 为内存池分配空间
    if (!m->mem) return -1;
    m->free_ptr = m->mem;   // 当前空闲的区域指针
    m->free_count = MEM_PAGE_SIZE / size;
    
    // 二级指针
    // 将一整块内存抽象为多块：块大小为size，每一块的首地址的前8个字节保存下一块的首地址
    int i = 0;
    char *ptr = m->free_ptr;
    for (i = 0;i < m->free_count; i++) {
        *(char **)ptr = ptr + size; // 将当前块的首地址的前8个字节保存下一块的首地址
        ptr += size;
    }
    *(char **)ptr = NULL; // 最后一块

    return 0;
}

3.用户层接口：malloc

void *mp_alloc(mempool_t *m) { // 向内存池申请一块内存
    
    if (!m || m->free_count == 0) return NULL; // 如果内存池不存在或没有剩余空间

    void *ptr = m->free_ptr;

    m->free_ptr = *(char **)ptr; // 更新free指针，指向下一个空余的内存块
    m->free_count --;

    return ptr;
}

4.用户层接口：free

void mp_free(mempool_t *m, void *ptr) {

    *(char **)ptr = m->free_ptr; // 将即将被回收的块，指向当前空余的块
    m->free_ptr = (char *)ptr; // 将当前空余的块修改为即将回收的块
    // 相当于把回收的块插入空余队列的第一个位置，优先分配回收的块
    m->free_count ++;
}

5.测试函数main

int  main() { // 测试

    mempool_t m;

    mp_init(&m, 32);

	void *p1 = mp_alloc(&m);
	printf("1: mp_alloc: %p\n", p1);

	void *p2 = mp_alloc(&m);
	printf("2: mp_alloc: %p\n", p2);

	void *p3 = mp_alloc(&m);
	printf("3: mp_alloc: %p\n", p3);

	void *p4 = mp_alloc(&m);
	printf("4: mp_alloc: %p\n", p4);

	mp_free(&m, p2);

	void *p5 = mp_alloc(&m);
	printf("5: mp_alloc: %p\n", p5);

    return 0;
}

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