5：内存池的分配原理
在内存池的设计中，有两个重要的操作过程1：chunk_alloc，申请大块内存，2：refill回填操作，内存池初始化化时并不是为索引表中的每一项都创建空闲分配链表，这个过程会推迟到，只有用户提取请求时才会创建这样的分配链表。详细参考如下代码（在sgi中stl_alloc.h文件中你也可以看到这两个函数），主要步骤在注释中已经说明。
/**
* @bri: 申请大块内存，并返回size*(*nobjs)大小的内存块
* @param: size,round_up对齐后的大小,nobjs
* @return: 返回指向第一个对象内存指针
*/
static char* chunk_alloc(size_t size, int *nobjs)
{
/**< 返回指针 */
char* __result;
/**< 申请内存块大小 */
size_t __total_bytes = size *(*nobjs);
/**< 当前内存可用空间 */
size_t __bytes_left = _end_free - _start_free;
/**< 内存池中还有大片可用内存 */
if (__bytes_left >= __total_bytes)
{
__result = _start_free;
_start_free += __total_bytes;
return (__result);
}
/**< 至少还有一个对象大小的内存空间 */
else if (__bytes_left >= size)
{
*nobjs = (int)(__bytes_left/size);
__total_bytes = size * (*nobjs);
__result = _start_free;
_start_free += __total_bytes;
return (__result);
}
/**< 内存池中没有任何空间 */
else
{
/**< 重新申请内存池的大小 */
size_t __bytes_to_get = 2 * __total_bytes + round_up(_heap_size >> 4);
/**< 把内存中剩余的空间添加到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;
}
// 申请新的大块空间
_start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);
/*=======================================================================*/
memset(_start_free,0,__bytes_to_get);
/*=======================================================================*/
// 系统内存已经无可用内存，那么从内存池中压缩内存
if(0 == _start_free)
{
size_t __i;
_obj *VOLATILE* __my_free_list;
_obj *__p;
/**< 从freelist中逐项检查可用空间(此时只收集比size对象大的内存空间) */
for (__i = size; __i <= (size_t)__MAX_BYTES; __i += __ALIGN)
{
__my_free_list = _free_list + freelist_index(__i);
__p = *__my_free_list;
/**< 找到空闲块 */
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;
/**< 再次申请内存，可能触发一个异常 */
_start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);
}
/**< 记录当前内存池的容量 */
_heap_size += __bytes_to_get;
_end_free = _start_free + __bytes_to_get;
return (chunk_alloc(size,nobjs));
}
}
/*=======================================================================*/
/**
* @bri: 填充freelist的连接，默认填充20个
* @param: __n，填充对象的大小，8字节对齐后的value
* @return: 空闲
*/
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;
// 如果内存池中仅有一个对象
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);
}
经过上面操作后，内存池可能会成为如下的一种状态。从图上我们可以看到，已经构建了8，24，88，128字节的空闲分配链表，而其他没有分配空闲分配链表的他们的指针都指向NULL。我们通过判断索引表中的指针是否为NULL，知道是否已经构建空闲分配表或者空闲分配表是否用完，如果此处指针为NULL，我们调用refill函数，重新申请20个这样大小的内存空间，并把他们连接起来。在refill函数内，我们要查看大内存中是否有可用内存，如果有，并且大小合适，就返回给refill函数。
图4
6：线程安全
采用互斥体，保证线程安全。
内存池测试
内存池的测试主要分两部分测试1：单线程下malloc与mempool的分配速度对比2：多线程下malloc和mempool的分配速度对比，我们分为4，10，16个线程进行测试了。
测试环境：操作系统：windows2003+sp1，VC7.1+sp1，硬件环境：intel(R) Celeron(R) CPU 2.53GHz,512M物理内存。
申请内存空间设定如下
#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方式均使用如上数据进行内存空间的申请和释放。申请过程，每次循环申请释放上述数据20次
我们对malloc和mempool，分别进行了如下申请次数的测试（单位为万）
|
2 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
80 |
100 |
150 |
200 |
可以看到mempool无论在多线程还是在单线程情况下，mempool的速度都优于malloc方式的直接分配。
Malloc方式debug模式下，在不同的线程下，运行时间如下，通过图片可知，malloc方式，在debug模式下，申请空间的速度和多线程的关系不大。多线程方式，要略快于单线程的运行实现。
Malloc方式release模式测试结果如下。
多线程的优势，逐渐体现出来。当执行200w次申请和释放时，多线程要比单线程快1500ms左右，而4，10，16个线程之间的差别并不是特别大。不过整体感觉4个线程的运行时间要稍微高于10，16个线程的情况下，意味着进程中线程越多用在线程切换上的时间就越多。
下面是mempool在debug测试结果
下面是mempool在release模式下的测试结果
以上所有统计图中所用到的数据，是我们测试三次后平均值。
通过上面的测试，可以知道mempool的性能基本上超过直接malloc方式，在200w次申请和释放的情况下，单线程release版情况下，mempool比直接malloc快110倍。而在4个线程情况下，mempool要比直接malloc快7倍左右。以上测试只是申请速度的测试，在不同的压力情况下，测试结果可能会不同，测试结果也不能说明mempool方式比malloc方式稳定。
小结：内存池基本上满足初期设计目标，但是她并不是完美的，有缺陷，比如,不能申请大于256字节的内存空间，无内存越界检查，无内存自动回缩功能等。只是这些对我们的影响还不是那么重要。
由于这是一个公司项目，代码涉及版权，所以不能发布出来。如果你想做自己的内存池，可以与我联系ugg_xchj#hotmail.com.
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