c++内存池设计

KMemoryPool 内存池设计文档

1. 设计目标

⚡ 高效内存管理：实现O(1)时间复杂度分配/释放操作
🧩 碎片控制：采用双向链表+节点合并策略降低内存碎片
🚀 动态扩容：支持按需创建2MB内存块，最大支持10MB容量
🔒 安全机制：内置内存泄漏检测、双重释放保护、非法指针校验
📊 可视化监控：提供printStatus()实时查看内存状态

2. 核心架构

2.1 类关系图

+----------------+ +----------------+ +----------------+

+----------------+ +----------------+ +----------------+

csharp 复制代码

### 2.2 类职责说明
#### ▶ KBlockNode（内存节点）
```cpp
class KBlockNode {
    char* m_start;    // 内存起始地址
    char* m_end;      // 内存结束地址
    KBlockNode* m_next; // 后向指针
    KBlockNode* m_prev; // 前向指针
    bool m_used;       // 使用标记
}

▌核心功能：

管理连续内存段的元数据
维护双向链表结构
支持节点分割与合并

▶ KMemoryBlock（内存块）

c 复制代码

class KMemoryBlock {
    std::unique_ptr<char[]> m_realAddress; // 实际内存
    KBlockNode* m_startBlockNode;          // 节点链表头
    size_t m_blockSize;                    // 块大小(默认2MB)
}

▌核心功能：

管理物理内存的申请/释放
维护节点链表结构
支持整块内存回收检测

▶ KMemoryPool（内存池）

arduino 复制代码

class KMemoryPool {
    KMemoryBlock* m_blockStart;   // 内存块链表头
    size_t m_memorySize = 10MB;   // 总容量
    size_t m_blockSize = 2MB;     // 块单位
    size_t m_allocatedTotal;      // 已分配统计
}

▌核心功能：

统一管理所有内存块
处理分配/释放请求
执行内存合并策略
异常检测与处理

3. 核心算法

3.1 内存分配流程

3.2 内存释放流程

4. 关键技术实现

4.1 节点合并算法

rust 复制代码

void mergeFreeNodes(KBlockNode* node) {
    // 前向合并
    while (node->m_prev && !node->m_prev->m_used) {
        merge(node->m_prev, node);
    }
    
    // 后向合并
    while (node->m_next && !node->m_next->m_used) {
        merge(node, node->m_next);
    }
}

4.2 内存块回收条件

rust 复制代码

bool isEntireBlockFree(KMemoryBlock* block) {
    return block->m_startBlockNode->m_next == nullptr 
        && !block->m_startBlockNode->m_used 
        && (block->m_startBlockNode->m_end - block->m_startBlockNode->m_start) == block->m_blockSize;
}

5. 异常处理机制

异常类型	检测条件	处理方式
内存泄漏	析构时m_allocatedTotal > 0	输出警告日志
双重释放	释放已标记未用的节点	抛出invalid_argument
无效指针	地址不在任何块范围内	抛出invalid_argument
内存不足	请求超过剩余容量	抛出bad_alloc

6. 使用示例

6.1 基础用法

scss 复制代码

KMemoryPool pool(2*1024*1024);  // 初始化2MB块
void* p1 = pool.allocate(512*1024); // 分配0.5MB
pool.deallocate(p1);            // 释放内存

6.2 状态监控

ini 复制代码

pool.printStatus();

示例输出：

less 复制代码

===== 测试用例开始 =====

[初始化后状态]

[Memory Pool Status]
申请内存池大小: 10485760 bytes
用户申请大小: 0 bytes
实际分配块大小: 0 bytes


[分配两个块后]

[Memory Pool Status]
申请内存池大小: 10485760 bytes
用户申请大小: 1572864 bytes
实际分配块大小: 2097152 bytes

Block #0 (2097152 bytes)
  Node #0: [USED] 0108C040 - 0110C040 (524288 bytes)
  Node #1: [USED] 0110C040 - 0120C040 (1048576 bytes)
  Node #2: [FREE] 0120C040 - 0128C040 (524288 bytes)


[释放第一个块后]

[Memory Pool Status]
申请内存池大小: 10485760 bytes
用户申请大小: 1048576 bytes
实际分配块大小: 2097152 bytes

Block #0 (2097152 bytes)
  Node #0: [FREE] 0108C040 - 0110C040 (524288 bytes)
  Node #1: [USED] 0110C040 - 0120C040 (1048576 bytes)
  Node #2: [FREE] 0120C040 - 0128C040 (524288 bytes)


[分配第三个大块后]

[Memory Pool Status]
申请内存池大小: 10485760 bytes
用户申请大小: 2621440 bytes
实际分配块大小: 4194304 bytes

Block #0 (2097152 bytes)
  Node #0: [USED] 01294040 - 01414040 (1572864 bytes)
  Node #1: [FREE] 01414040 - 01494040 (524288 bytes)

Block #1 (2097152 bytes)
  Node #0: [FREE] 0108C040 - 0110C040 (524288 bytes)
  Node #1: [USED] 0110C040 - 0120C040 (1048576 bytes)
  Node #2: [FREE] 0120C040 - 0128C040 (524288 bytes)


[分配精确块大小后]

[Memory Pool Status]
申请内存池大小: 10485760 bytes
用户申请大小: 4718592 bytes
实际分配块大小: 6291456 bytes

Block #0 (2097152 bytes)
  Node #0: [USED] 014A6040 - 016A6040 (2097152 bytes)

Block #1 (2097152 bytes)
  Node #0: [USED] 01294040 - 01414040 (1572864 bytes)
  Node #1: [FREE] 01414040 - 01494040 (524288 bytes)

Block #2 (2097152 bytes)
  Node #0: [FREE] 0108C040 - 0110C040 (524288 bytes)
  Node #1: [USED] 0110C040 - 0120C040 (1048576 bytes)
  Node #2: [FREE] 0120C040 - 0128C040 (524288 bytes)


[成功捕获超限异常]
[WARNING] Memory leak detected: 4718592 bytes not freed!

===== 测试用例结束 =====