《提高C++性能的编程技术》笔记：内存池（单线程、多线程）

fengbingchun2022-10-172022-10-17

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单线程内存池

频繁地分配和回收内存会严重地降低程序的性能。性能降低的原因在于默认的内存管理是通用的。应用程序可能会以某种特定的方式使用内存，并且为不需要的功能付出性能上的代价。通过开发专用的内存管理器可以解决这个问题。对专用内存管理器的设计可以从多个角度考虑。我们至少可以想到两个方面：大小和并发。

从大小的角度分为以下两种：

(1)、固定大小：分配固定大小内存块的内存管理器。

(2)、可变大小：分配任意大小内存块的内存管理器。所请求分配的大小事先是未知的。

类似的，从并发的角度也分为以下两种：

(1)、单线程：内存管理器局限在一个线程内。内存被一个线程使用，并且不越出该线程的界限。这种内存管理器不涉及相互访问的多线程。

(2)、多线程：内存管理器被多个线程并发地使用。这种实现需要包含互斥执行的代码段。无论什么时候，只能有一个线程在执行一个代码段。

全局函数new()和delete()：从设计上来说，默认的内存管理器是通用的。当调用全局函数new()和delete()时，我们使用的正是默认内存管理器。这两个函数的实现不能作任何简化假设。它们在进程范围内管理内存。既然一个进程可能产生多个线程，new()和delete()就必须能够在多线程环境中运行。而且，每次请求分配的内存大小是不同的。这种灵活性以速度为代价。所做的计算越多，消耗的周期就越多。

通常情况下，客户端代码不需要全局函数new()和delete()的全部功能。它可能只(或通常)需要特定大小的内存块。客户端代码很可能在单线程环境中运行，在这种环境中并不真正需要默认的new()和delete()所提供的并发保护。这样的话，使用这两个函数的全部功能就会浪费CPU周期。通过调整内存分配策略来更好地匹配特定需求，可以明显地提高性能。

灵活性以速度的降低为代价.随着内存管理的功能和灵活性的增强,执行速度将降低.

全局内存管理器(由new()和delete()执行)是通用的，因此代价高。

专用内存管理器比全局内存管理器快一个数量级以上。

如果主要分配固定大小的内存块，专用的固定大小内存管理器将明显地提升性能。

如果主要分配限于单线程的内存块，那么内存管理器也会有类似的性能提高。由于省去了全局函数new()和delete()必须处理的并发问题，单线程内存管理器的性能有所提高。

以下是测试代码：

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <string>
 
 
namespace single_threaded_memory_pool_ {
 
// reference: 《提高C++性能的编程技术》：第六章：单线程内存池
 
 
class Rational1 {
public:
	Rational1(int a = 0, int b = 1) : n(a), d(b) {}
private:
	int n; // 分子
	int d; // 分母
}; // class Rational1
 
 
// 专用Rational2内存管理器
// 为避免频繁地使用内存管理器,Rational2类要维护一个预分配的Rational2对象的静态连接列表,该列表列出空闲的可用对象.
// 当需要Rational2对象时,可以从空闲列表中取出一个,使用后再把它放回空闲列表以便今后分配. 
// 声明一个辅助结构来连接空闲列表的相邻元素
class NextOnFreeList {
public:
	NextOnFreeList* next;
}; // class NextOnFreeList
 
// 空闲列表被声明为一个由NextOnFreeList元素组成的列表
class Rational2 {
public:
	Rational2(int a = 0, int b = 1) : n(a),d(b) {}
 
	inline void* operator new(size_t size);
	inline void operator delete(void* doomed, size_t size);
 
	static void newMemPool() { expandTheFreeList(); }
	static void deleteMemPool();
 
private:
	static NextOnFreeList* freeList; // Rational2对象的空闲列表
	static void expandTheFreeList();
	enum { EXPANSION_SIZE = 32};
 
	int n; // 分子
	int d; // 分母
}; // class Rational2
 
NextOnFreeList* Rational2::freeList = nullptr;
 
// new()在空闲列表中分配一个Rational2对象.如果列表为空,则扩展列表
inline void* Rational2::operator new(size_t size)
{
	if (nullptr == freeList) { // 如果列表为空,则将其填满
		expandTheFreeList();
	}
 
	NextOnFreeList* head = freeList;
	freeList = head->next;
 
	return head;
}
 
// delete()把Rational2对象直接添加到空闲列表的头部,以返回Rational2对象
inline void Rational2::operator delete(void* doomed, size_t size)
{
	NextOnFreeList* head = static_cast<NextOnFreeList*>(doomed);
	head->next = freeList;
	freeList = head;
}
 
// 当空闲列表用完后,需要从堆上分配更多的Rational2对象.
// Rational2和NextOnFreeList之间的类型转换是有危险的,必须确保空闲列表的元素足够大以支持任意一种类型
// 当我们用Rational2对象填充空闲列表时,要记得比较Rational2和NextOnFreeList的大小,并且分配较大的那一个
void Rational2::expandTheFreeList()
{
	// 本质上，expandTheFreeList的实现并不是最优的.因为空闲列表中每增加一个元素，就调用一次new. 如果只调用一次new
	// 获得一大块内存,然后把它切分给多个元素,这样会更高效。孤立地看，这种想法很正确。然而我们创建内存管理器时，
	// 认为它不会频繁扩展和收缩,否则必须重新查看代码实现并修正它
 
	// 我们必须分配足够大的对象以包含下一个指针
	size_t size = sizeof(Rational2) > sizeof(NextOnFreeList*) ? sizeof(Rational2) : sizeof(NextOnFreeList*);
	NextOnFreeList* runner = static_cast<NextOnFreeList*>((void*)new char[size]);
	freeList = runner;
 
	for (int i = 0; i < EXPANSION_SIZE; ++i) {
		runner->next = static_cast<NextOnFreeList*>((void*)new char[size]);
		runner = runner->next;
	}
 
	runner->next = nullptr;
}
 
void Rational2::deleteMemPool()
{
	NextOnFreeList* nextPtr;
	for (nextPtr = freeList; nextPtr != nullptr; nextPtr = freeList) {
		freeList = freeList->next;
		delete [] nextPtr;
	}
}
 
///
// 固定大小对象的内存池: 观察Rational2内存管理器的实现，会很清楚地发现内存管理逻辑实际上独立于特定的Rational2类.
// 它唯一依赖的是类对象的大小----这正是用模板实现内存池的原因
template<class T>
class MemoryPool1 {
public:
	MemoryPool1(size_t size = EXPANSION_SIZE);
	~MemoryPool1();
 
	// 从空闲列表中分配T元素
	inline void* alloc(size_t size);
	// 返回T元素到空闲列表中
	inline void free(void* someElement);
 
private:
	// 空闲列表的下一元素
	MemoryPool1<T>* next;
	// 如果空闲列表为空，按该大小扩展它
	enum { EXPANSION_SIZE = 32 };
	// 添加空闲元素至空闲列表
	void expandTheFreeList(int howMany = EXPANSION_SIZE);
};
 
// 构造函数初始化空闲列表，参数size指定空闲列表的初始化长度
template<class T>
MemoryPool1<T>::MemoryPool1(size_t size)
{
	expandTheFreeList(size);
}
 
// 析构函数遍历空闲列表并且删除所有元素
template<class T>
MemoryPool1<T>::~MemoryPool1()
{
	MemoryPool1<T>* nextPtr = next;
	for (nextPtr = next; nextPtr != nullptr; nextPtr = next) {
		next = next->next;
		delete [] static_cast<char*>(static_cast<void*>(nextPtr));
	}
}
 
// alloc函数为T元素分配足够大的空间，如果空闲列表用尽，则调用expandThrFreeList函数来扩充它
template<class T>
inline void* MemoryPool1<T>::alloc(size_t size)
{
	if (!next) {
		expandTheFreeList();
	}
 
	MemoryPool1<T>* head = next;
	next = head->next;
 
	return head;
}
 
 
// free函数把T元素放回空闲列表，以此来释放它
template<class T>
inline void MemoryPool1<T>::free(void* doomed)
{
	MemoryPool1<T>* head = static_cast<MemoryPool1<T>*>(doomed);
	head->next = next;
	next = head;
}
 
// expandTheFreeList函数用来向空闲列表添加新元素，首先从堆上分配新元素，然后把它们连接到列表中
// 该函数在空闲列表用尽时被调用
template<class T>
void MemoryPool1<T>::expandTheFreeList(int howMany)
{
	// 必须分配足够大的对象以包含下一个指针
	size_t size = sizeof(T) > sizeof(MemoryPool1<T>*) ? sizeof(T) : sizeof(MemoryPool1<T>*);
	MemoryPool1<T>* runner = static_cast<MemoryPool1<T>*>((void*)(new char[size]));
	next = runner;
 
	for (int i = 0; i < howMany; ++i) {
		runner->next = static_cast<MemoryPool1<T>*>((void*)(new char[size]));
		runner = runner->next;
	}
 
	runner->next = nullptr;
}
 
// Rational3类不再需要维护它自己的空闲列表，这项任务委托给了MemoryPool1类
class Rational3 {
public:
	Rational3(int a = 0, int b = 1) : n(a),d(b) {}
 
	void* operator new(size_t size) { return memPool->alloc(size); }
	void operator delete(void* doomed, size_t size) { memPool->free(doomed); }
	static void newMemPool() { memPool = new MemoryPool1<Rational3>; }
	static void deleteMemPool() { delete memPool; }
 
private:
	int n; // 分子
	int d; // 分母
	static MemoryPool1<Rational3>* memPool;
};
 
MemoryPool1<Rational3>* Rational3::memPool = nullptr;
 

// 单线程可变大小内存管理器: 
// MemoryChunk类取代之前版本中使用的NextOnFreeList类，它用来把不同大小的内存块连接起来形成块序列
class MemoryChunk {
public:
	MemoryChunk(MemoryChunk* nextChunk, size_t chunkSize);
	// 析构函数释放构造函数获得的内存空间
	~MemoryChunk() { delete [] mem; }
 
	inline void* alloc(size_t size);
	inline void free(void* someElement);
 
	// 指向列表下一内存块的指针
	MemoryChunk* nextMemChunk() { return next; }
	// 当前内存块剩余空间大小
	size_t spaceAvailable() { return chunkSize - bytesAlreadyAllocated; }
	// 这是一个内存块的默认大小
	enum { DEFAULT_CHUNK_SIZE = 4096 };
 
private:
	MemoryChunk* next;
	void* mem;
 
	// 一个内存块的默认大小
	size_t chunkSize;
	// 当前内存块中已分配的字节数
	size_t bytesAlreadyAllocated;
};
 
// 构造函数首先确定内存块的适当大小，然后根据这个大小从堆上分配私有存储空间
// MemoryChunk将next成员指向输入参数nextChunk, nextChunk是列表先前的头部
MemoryChunk::MemoryChunk(MemoryChunk* nextChunk, size_t reqSize)
{
	chunkSize = (reqSize > DEFAULT_CHUNK_SIZE) ? reqSize : DEFAULT_CHUNK_SIZE;
	next = nextChunk;
	bytesAlreadyAllocated = 0;
	mem = (void*)(new char[chunkSize]);
}
 
// alloc函数处理内存分配请求，它返回一个指针，该指针指向mem所指向的MemoryChunk私有存储空间中的可用空间。
// 该函数通过更新该块中已分配的字节数来记录可用空间的大小
void* MemoryChunk::alloc(size_t requestSize)
{
	void* addr = static_cast<void*>(static_cast<char*>(mem) + bytesAlreadyAllocated);
	bytesAlreadyAllocated += requestSize;
 
	return addr;
}
 
// 在该实现中，不用担心空闲内存段的释放。当对象被删除后，整个内存块将被释放并且返回到堆上
inline void MemoryChunk::free(void* doomed)
{
}
 
// MemoryChunk只是一个辅助类，ByteMemoryPoll类用它来实现可变大小的内存管理
class ByteMemoryPool {
public:
	ByteMemoryPool(size_t initSize = MemoryChunk::DEFAULT_CHUNK_SIZE);
	~ByteMemoryPool();
 
	// 从私有内存池分配内存
	inline  void* alloc(size_t size);
	// 释放先前从内存池中分配的内存
	inline void free(void* someElement);
 
private:
	// 内存块列表，它是我们的私有存储空间
	MemoryChunk* listOfMemoryChunks = nullptr;
	// 向我们的私有存储空间添加一个内存块
	void expandStorage(size_t reqSize);
};
 
// 虽然内存块列表可能包含多个块，但只有第一块拥有可用于分配的内存。其它块表示已分配的内存。
// 列表的首个元素是唯一能够分配可以内存的块。
 
// 构造函数接收initSize参数来设定一个内存块的大小，即构造函数借此来设置单个内存块的大小。
// expandStorage方法使listOfMemoryChunks指向一个已分配的MemoryChunk对象
// 创建ByteMemoryPool对象，生成私有存储空间
ByteMemoryPool::ByteMemoryPool(size_t initSize)
{
	expandStorage(initSize);
}
 
// 析构函数遍历内存块列表并且删除它们
ByteMemoryPool::~ByteMemoryPool()
{
	MemoryChunk* memChunk = listOfMemoryChunks;
 
	while (memChunk) {
		listOfMemoryChunks = memChunk->nextMemChunk();
		delete memChunk;
		memChunk = listOfMemoryChunks;
	}
}
 
// alloc函数确保有足够的可用空间，而把分配任务托付给列表头的MemoryChunk
void* ByteMemoryPool::alloc(size_t requestSize)
{
	size_t space = listOfMemoryChunks->spaceAvailable();
	if (space < requestSize) {
		expandStorage(requestSize);
	}
 
	return listOfMemoryChunks->alloc(requestSize);
}
 
// 释放之前分配的内存的任务被委派给列表头部的MemoryChunk来完成
// MemoryChunk::free不做任何事情，因为ByteMemoryPool的实现不会重用之前分配的内存。如果需要更多内存，
// 我们将创建新的内存块以便今后分配使用。在内存池被销毁时，内存释放回堆中。ByteMemoryPool析构函数
// 释放所有的内存块到堆中
inline void ByteMemoryPool::free(void* doomed)
{
	listOfMemoryChunks->free(doomed);
}
 
// 若遇到内存块用尽这种不太可能的情况，我们通过创建新的内存块并把它添加到内存块列表的头部来扩展它
void ByteMemoryPool::expandStorage(size_t reqSize)
{
	listOfMemoryChunks = new MemoryChunk(listOfMemoryChunks, reqSize);
}
 
class Rational4 {
public:
	Rational4(int a = 0, int b = 1) : n(a),d(b) {}
 
	void* operator new(size_t size) { return memPool->alloc(size); }
	void operator delete(void* doomed, size_t size) { memPool->free(doomed); }
 
	static void newMemPool() { memPool = new ByteMemoryPool; }
	static void deleteMemPool() { delete memPool; }
 
private:
	int n; // 分子
	int d; // 分母
	static ByteMemoryPool* memPool;
};

} // namespace single_threaded_memory_pool_

using namespace single_threaded_memory_pool_;

ByteMemoryPool* Rational4::memPool = nullptr;



int main()
{
	using namespace std::chrono;
	high_resolution_clock::time_point time_start, time_end;
	const int cycle_number1{10000}, cycle_number2{1000};
 
{ // 测试全局函数new()和delete()的基准性能
	Rational1* array[cycle_number2];
 
	time_start = high_resolution_clock::now();
	for (int j =0; j < cycle_number1; ++j) {
		for (int i =0; i < cycle_number2; ++i) {
			array[i] = new Rational1(i);
		}
 
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			delete array[i];
		}	
	}
	time_end = high_resolution_clock::now();
 
	fprintf(stdout, "global function new/delete time spend: %f seconds\n",(duration_cast<duration<double>>(time_end - time_start)).count());
}
 
{ // 专用Rational2内存管理器测试
	Rational2* array[cycle_number2];
 
	time_start = high_resolution_clock::now();
	Rational2::newMemPool();
 
	for (int j = 0; j < cycle_number1; ++j) {
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			array[i] = new Rational2(i);
		}
 
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			delete array[i];
		}
	}
 
	Rational2::deleteMemPool();
	time_end = high_resolution_clock::now();
 
	fprintf(stdout, "specialized rational2 memory manager time spend: %f seconds\n",(duration_cast<duration<double>>(time_end - time_start)).count());	
}
 
{ // 固定大小对象的内存池测试
	Rational3* array[cycle_number2];
 
	time_start = high_resolution_clock::now();
	Rational3::newMemPool();
 
	for (int j = 0; j < cycle_number1; ++j) {
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			array[i] = new Rational3(i);
		}
 
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			delete array[i];
		}
	}
 
	Rational3::deleteMemPool();
	time_end = high_resolution_clock::now();
 
	fprintf(stdout, "fixed-size object memory pool time spend: %f seconds\n",(duration_cast<duration<double>>(time_end - time_start)).count());	
}
 
{ // 单线程可变大小内存管理器测试
	Rational4* array[cycle_number2];
 
	time_start = high_resolution_clock::now();
	Rational4::newMemPool();
 
	for (int j = 0; j < cycle_number1; ++j) {
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			array[i] = new Rational4(i);
		}
 
		for (int i = 0; i < cycle_number2; ++i) {
			delete array[i];
		}
	}
 
	Rational4::deleteMemPool();
	time_end = high_resolution_clock::now();
 
	fprintf(stdout, "single-threaded variable-size memory manager time spend: %f seconds\n",(duration_cast<duration<double>>(time_end - time_start)).count());	
 
}
	return 0;
}

利用 godbolt 执行，相应代码见点击这里测试结果如下：

global function new/delete time spend: 0.232326 seconds
specialized rational2 memory manager time spend: 0.022057 seconds
fixed-size object memory pool time spend: 0.043718 seconds
single-threaded variable-size memory manager time spend: 0.045875 seconds

多线程内存池

为了使多个线程并发地分配和释放内存，必须在分配器方法中添加互斥锁。

全局内存管理器(通过new()和delete()实现)是通用的，因此它的开销也非常大。

因为单线程内存管理器要比多线程内存管理器快的多，所以如果要分配的大多数内存块限于单线程中使用，那么可以显著提升性能。

如果开发了一套有效的单线程分配器，那么通过模板可以方便地将它们扩展到多线程环境中。