学懂C++（四十四）：C++ 自定义内存管理的深入解析：内存池与自定义分配器

目录

[1. 内存池（Memory Pool）](#1. 内存池（Memory Pool）)

概念

模型

特点

核心点

实现

适用场景

经典示例实现

代码解析

[2. 自定义分配器（Custom Allocators）](#2. 自定义分配器（Custom Allocators）)

概念

模型

特点

核心点

实现

适用场景

经典示例实现

代码解析

高级自定义分配器示例

代码解析

总结

---

C++作为一种高性能编程语言，在处理内存管理方面提供了极大的灵活性。默认情况下，C++使用操作系统提供的内存分配和释放机制（如new、delete、malloc和free）。然而，在某些高性能或特定需求的应用中，默认的内存管理机制可能无法满足需求。这时，自定义内存管理技术，如内存池（Memory Pool）和自定义分配器（Custom Allocators），可以提供更高效、更灵活的内存管理方案。

本文将详细介绍内存池和自定义分配器在C++中的应用，包含其概念、模型、特点、核心点、实现方法、适用场景，以及经典示例代码和详细解析。

1. 内存池（Memory Pool）

概念

内存池是一种自定义内存管理机制，通过预分配一大块内存并将其划分成多个固定大小的块，从而实现快速的内存分配和释放。这种技术特别适用于频繁分配和释放相同大小对象的场景。

模型

• 预分配内存块：一次性分配一大块连续的内存。
• 分割内存块：将大块内存划分为多个固定大小的小块。
• 空闲块管理：维护一个空闲块的列表，用于快速分配和释放内存。

特点

• 高效性：内存分配和释放操作可以在常数时间内完成。
• 减少碎片：通过固定大小的块减少内存碎片问题。
• 预分配：内存池一次性分配大块内存，减少多次分配带来的开销。

核心点

• 预先分配足够大的内存块。
• 维护空闲块列表，实现快速分配和释放。

实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cassert>

class MemoryPool
{
private:
    struct Block
    {
        Block* next;
    };

    Block* freeBlocks; // 空闲块链表头指针
    std::vector<void*> pool; // 用于存储内存块的指针数组

    void allocatePool(size_t blockSize, size_t blockCount)
    {
        // 分配一大块连续内存
        void* newPool = operator new(blockSize * blockCount);
        pool.push_back(newPool);

        Block* head = static_cast<Block*>(newPool);
        freeBlocks = head;

        // 初始化空闲块链表
        for (size_t i = 1; i < blockCount; ++i)
        {
            head->next = reinterpret_cast<Block*>(reinterpret_cast<char*>(head) + blockSize);
            head = head->next;
        }
        head->next = nullptr;
    }

public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount)
    {
        allocatePool(blockSize, blockCount);
    }

    ~MemoryPool()
    {
        // 释放所有内存块
        for (void* ptr : pool)
        {
            operator delete(ptr);
        }
    }

    void* allocate()
    {
        if (!freeBlocks)
        {
            // 如果没有空闲块，则分配新的内存池
            throw std::bad_alloc();
        }

        // 从空闲块链表中取出一个块
        Block* block = freeBlocks;
        freeBlocks = freeBlocks->next;
        return block;
    }

    void deallocate(void* ptr)
    {
        // 将块返回到空闲块链表中
        Block* block = static_cast<Block*>(ptr);
        block->next = freeBlocks;
        freeBlocks = block;
    }
};

适用场景

• 高性能应用：如游戏开发中的对象池、网络服务器的连接管理等。
• 频繁分配和释放相同大小对象：如内存块、节点对象等。

经典示例实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cassert>

class MemoryPool
{
private:
    struct Block
    {
        Block* next;
    };

    Block* freeBlocks; // 空闲块链表头指针
    std::vector<void*> pool; // 用于存储内存块的指针数组

    void allocatePool(size_t blockSize, size_t blockCount)
    {
        // 分配一大块连续内存
        void* newPool = operator new(blockSize * blockCount);
        pool.push_back(newPool);

        Block* head = static_cast<Block*>(newPool);
        freeBlocks = head;

        // 初始化空闲块链表
        for (size_t i = 1; i < blockCount; ++i)
        {
            head->next = reinterpret_cast<Block*>(reinterpret_cast<char*>(head) + blockSize);
            head = head->next;
        }
        head->next = nullptr;
    }

public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t blockCount)
    {
        allocatePool(blockSize, blockCount);
    }

    ~MemoryPool()
    {
        // 释放所有内存块
        for (void* ptr : pool)
        {
            operator delete(ptr);
        }
    }

    void* allocate()
    {
        if (!freeBlocks)
        {
            // 如果没有空闲块，则分配新的内存池
            throw std::bad_alloc();
        }

        // 从空闲块链表中取出一个块
        Block* block = freeBlocks;
        freeBlocks = freeBlocks->next;
        return block;
    }

    void deallocate(void* ptr)
    {
        // 将块返回到空闲块链表中
        Block* block = static_cast<Block*>(ptr);
        block->next = freeBlocks;
        freeBlocks = block;
    }
};

class Widget
{
public:
    int x, y, z;

    Widget(int a, int b, int c) : x(a), y(b), z(c) {}

    void display()
    {
        std::cout << "Widget(" << x << ", " << y << ", " << z << ")" << std::endl;
    }

    // 重载new操作符
    static void* operator new(size_t size)
    {
        return pool.allocate();
    }

    // 重载delete操作符
    static void operator delete(void* ptr)
    {
        pool.deallocate(ptr);
    }

private:
    static MemoryPool pool;
};

// 初始化静态内存池
MemoryPool Widget::pool(sizeof(Widget), 10);

int main()
{
    std::vector<Widget*> widgets;

    // 分配Widget对象
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        widgets.push_back(new Widget(i, i + 1, i + 2));
    }

    // 显示Widget对象
    for (Widget* widget : widgets)
    {
        widget->display();
    }

    // 释放Widget对象
    for (Widget* widget : widgets)
    {
        delete widget;
    }

    return 0;
}

代码解析

1. MemoryPool类：实现内存池管理，包括分配和释放内存块。
2. Widget类 ：示例对象类，重载了new和delete操作符以使用内存池进行内存管理。
3. main函数 ：展示了如何使用内存池分配和释放Widget对象。

2. 自定义分配器（Custom Allocators）

概念

自定义分配器是C++标准库（STL）中的一种机制，允许开发者控制容器的内存分配策略。通过自定义分配器，开发者可以替换默认的内存分配方式，以满足特定的性能需求或内存管理策略。

模型

• 分配器类 ：实现内存分配和释放的接口（如allocate和deallocate方法）。
• 容器类：使用自定义分配器进行内存管理。

特点

• 灵活性：开发者可以完全控制内存分配和释放。
• 可扩展性：可以根据具体需求实现不同的内存管理策略。

核心点

• 实现分配器类，提供allocate和deallocate方法。
• 在容器中使用自定义分配器。

实现

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

template <typename T>
class CustomAllocator
{
public:
    using value_type = T;

    CustomAllocator() = default;

    template <typename U>
    CustomAllocator(const CustomAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n)
    {
        std::cout << "Allocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t n)
    {
        std::cout << "Deallocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        ::operator delete(ptr);
    }
};

template <typename T, typename U>
bool operator==(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&)
{
    return true;
}

template <typename T, typename U>
bool operator!=(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&)
{
    return false;
}

适用场景

• 高性能应用：如游戏开发中的对象池、实时系统的内存管理等。
• 特定内存管理需求：如内存对齐、内存池管理等。

经典示例实现

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

// 自定义分配器类
template <typename T>
class CustomAllocator
{
public:
    using value_type = T;

    CustomAllocator() = default;

    template <typename U>
    CustomAllocator(const CustomAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n)
    {
        std::cout << "Allocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t n)
    {
        std::cout << "Deallocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        ::operator delete(ptr);
    }
};

template <typename T, typename U>
bool operator==(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&)
{
    return true;
}

template <typename T, typename U>
bool operator!=(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&)
{
    return false;
}

int main()
{
    // 使用自定义分配器的vector容器
    std::vector<int, CustomAllocator<int>> vec;

    // 添加元素
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        vec.push_back(i);
    }

    // 显示元素
    for (int i : vec)
    {
        std::cout << i << std::endl;
    }

    return 0;
}

代码解析

1. CustomAllocator类 ：实现自定义分配器，包括allocate和deallocate方法。
2. operator==和operator!=：定义分配器的比较操作符。
3. main函数 ：展示了如何使用自定义分配器创建vector容器，并进行元素的添加和显示。

高级自定义分配器示例

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

// 高级自定义分配器类
template <typename T>
class AdvancedAllocator
{
public:
    using value_type = T;

    AdvancedAllocator() = default;

    template <typename U>
    AdvancedAllocator(const AdvancedAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n)
    {
        std::cout << "Advanced Allocator: Allocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t n)
    {
        std::cout << "Advanced Allocator: Deallocating " << n << " element(s)" << std::endl;
        ::operator delete(ptr);
    }

    template <typename U, typename... Args>
    void construct(U* p, Args&&... args)
    {
        std::cout << "Advanced Allocator: Constructing element" << std::endl;
        ::new((void*)p) U(std::forward<Args>(args)...);
    }

    template <typename U>
    void destroy(U* p)
    {
        std::cout << "Advanced Allocator: Destroying element" << std::endl;
        p->~U();
    }
};

template <typename T, typename U>
bool operator==(const AdvancedAllocator<T>&, const AdvancedAllocator<U>&)
{
    return true;
}

template <typename T, typename U>
bool operator!=(const AdvancedAllocator<T>&, const AdvancedAllocator<U>&)
{
    return false;
}

int main()
{
    // 使用高级自定义分配器的vector容器
    std::vector<int, AdvancedAllocator<int>> vec;

    // 添加元素
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        vec.push_back(i);
    }

    // 显示元素
    for (int i : vec)
    {
        std::cout << i << std::endl;
    }

    return 0;
}

代码解析

1. AdvancedAllocator类 ：在CustomAllocator基础上，增加了construct和destroy方法，用于元素的构造和析构。
2. operator==和operator!=：定义分配器的比较操作符。
3. main函数 ：展示了如何使用高级自定义分配器创建vector容器，并进行元素的添加和显示。

总结

自定义内存管理技术，如内存池和自定义分配器，在C++中提供了强大的内存管理能力。它们不仅能够提高内存管理的效率，还能满足特定应用场景下的内存管理需求。

• 内存池（Memory Pool）：通过预分配一大块内存并将其划分成多个固定大小的块，实现高效的内存分配和释放。适用于高性能应用和频繁分配和释放相同大小对象的场景。
• 自定义分配器（Custom Allocators）：允许开发者控制容器的内存分配策略，满足特定的性能需求或内存管理策略。适用于高性能应用和特定内存管理需求的场景。

通过以上示例代码和详细解析，开发者可以更好地理解和应用自定义内存管理技术，从而提高软件质量和开发效率。