图文并茂解释内存池原理

在 C 语言的动态申请内存技术中，相比起 alloc/free 系统调用，内存池（memory pool）是与现在系统中请求一大片连续的内存空间，然后在运行时根据实际需要分配出去的技术。使用内存池的优点有：

速度远比 malloc/free 快，因为减少了系统调用的次数，特别是频繁申请/释放内存块的情况
避免了频繁申请/释放内存之后，系统的大量内存碎片
节省空间

原理和结构

概念和数据结构

定长内存池有一些基本和必要的概念，需要定义在内存池的结构数据中。以下命名方式使用变体的匈牙利命名法，比如 nNext，n表示变量类型为整形。类似地，p表示指针。

Memory Unit

每次程序调用 MemPool_Alloc 获取一个内存区域后，会获得一块连续的内存区域。管理一个这样的内存区域的单元就成为内存单元 unit，有时也称作 chunk。每个 unit 需要包含以下数据：

nNext：整型数据，表示下一个可供分配的 unit 的标识号。功能请参见后问
pData[]：实际的内存区域，其大小在创建时由调用方指定

Memory Block

一个内存块，内存块中保存着一系列的内存单元。

这个数据结构需要包含以下基本信息：

nSize：整型数据，表示该 block 在内存中的大小
nFree：整型，表示剩下有几个 unit 未被分配
nFirst：整型，表示下一个可供分配的 unit 的标识号
pNext：指针，指向下一个 memory block

Memory Pool

一个内存池总的管理数据结构，换句话说，是一个内存池对象。

pBlock：指针，指向第一个 memory block
nUnitSize：整型，表示每个 unit 的尺寸
nInitSize：整型，表示第一个 block 的 unit 个数
nGrowSize：整型，表示在第一个 block 之外再继续增加的每个 block 的 unit 个数

函数接口

作为一个内存池，需要实现以下一些基本的函数接口，或者说可以是对象方法：

`memPoolCreate()`

创建一个 memory pool，必须的参数为 unit size，可选参数为上文 memory pool 的 nInitSize 和 nGrowSize。

`memPoolDestroy()`

销毁整个 memory pool 并交还给操作系统。

`memPoolAlloc()`

从 memory pool 中分配一个 unit，其尺寸是预先定义的 unit size。

`memPoolFree()`

释放一个指定的 unit。

工作过程

现在我们用一个 unit size 为 1024、init size 为 4（每一个 block 有 4 个 units）的 memory pool 为例，解释一下内存池的工作原理。下文假设整型的宽度为 4 个字节。

创建 memory pool

程序开始，调用并创建一个 memory pool。此时调用的函数为 memPoolCreate()，程序会创建一个数据结构，相应的结构体成员及其取值如下：

memory pool alloc

当调用者第一次请求 memPoolAlloc() 时，内存池发现 block 链表为空，于是想系统申请内存，创建 memory block，并初始化如下（其中地址值为假设值）：

其中 nSize = 4112 = sizeof(memPool) + nInitSize * sizeof(memUnit)。每一个 nNext 依次加一，各指代着跟着自己的下一个 unit。最后一个 unit 的 nNext 值无意义，因此不说明其取值。

然后返回需要的 unit 中的内存。返回内存的逻辑如下：

内存池在 block 中查询 nFree 成员
由于 nFree > 0，表示有未分配的 unit，因此继续在该 block 中查看 nFirst 成员
nFirst 等于 0，表示该 block 中位置为 0 的 unit 可用。因此内存池可以将这个 unit 中的 pData 地址返回给调用方。 pData 的地址值计算方式为：pBlock + sizeof(memBlock) + nFirst * (sizeof(memUnit)) + sizeof(nNext) = 0x10010
nFree 减一
修改 nFirst 的值，标记下一个可用的 unit。注意这里的 nFirst 切切不能简单地加一，而是取返回给调用方的 unit 所对应的 nNext 的值，也就是下图(2)处原来的值 1
将 pData 的地址值返回。为便于说明，这块区域我们标记为 $C_A$

操作后各数据结构的状态如下：

第二次调用 alloc 的情况类似。调用后各数据结构的状态如下：

memory pool free

我们先看看结果：

首先程序会检查 $C_A$ 的地址值，很快就会发现，地址 0x10010 位于上述第一个 block 的范围之内（0x10000 <= 0x10010 <= (0x10000 + 4112)）。再计算偏移值可以很快得出其对应的 nNext 标号，也就是上图中的(2)位置。
回收 unit，此时需要标记相应的成员值以标示 unit 的回收状态。首先查看 nFirst 的值，参见上前幅图，nFirst 的值为 3，表示位置(3)处的 unit 是可用的。因此我们首先把 (2) 处的 nNext 值设置为 3，将其加回到可用 unit 的链表中
将 nFirst 的值修改为 0，也就是代表刚刚回收回来的 unit 的标号，而(2)处的值赋值为 2，表示b(3)的 unit

其实可以看到，上面就是一个简单的链表操作。根据上面的过程，如果 $C_B$ 也释放了的话，那么 memory pool 的状态则会变成这样：

到这个时候，由于整个 block 已经完全回收了（nFree == nInitSize），那么根据不同的策略，可以考虑将整个 block 从内存中释放掉。

block 满

我们回到 alloc 的逻辑中，可以看到内存池最开始会检查 block 的 nFree 成员。如果 nFree == 0 的时候，那么就会在该 block 的 pNext 中去找到下一个 block，再去检查 nFree。如果发现 block 链表已经结束了，那就意味着当前所有的 block 已满，必须创建新的 block。

在实际设计中，我们需要考虑选取合适的 init size 和 grow size 值。从上面的算法中可以看到，如果 alloc/free 调用非常频繁时，第一个 block 的使用效率是非常高的。

变体或改进

有些简化的版本中，可以不使用 pNext 来维护链表，也就是只有一个 block，并且内存的使用有一个明确且受控的上限值。这经常用在没有 malloc 系统调用的 RTOS 或者是一些对内存非常敏感的嵌入式系统中。
如果要用于多线程环境中，那么 memory pool 结构体需要加上锁

参考资料

《C++应用程序性能优化》 - 内存池 章节
Memory Pool Basic Concepts

本文章采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。

本文地址：https://segmentfault.com/a/1190000016999719
原文发布于：https://cloud.tencent.com/developer/article/1361759，也是本人的专栏。