文章目录
- 一、为什么需要内存池
- 二、内存池的工作流程
- 三、内存池的实现
- 3.1 数据结构
- 3.2 接口设计
- 3.2.1 创建内存池
- 3.2.2 内存池销毁
- 3.2.3 内存分配
- 1. 分配小块内存
- 2. 分配大块内存
- 3.2.4 内存池的释放
- 3.2.5 内存池重置
- 3.3 完整代码
一、为什么需要内存池
应用程序使用内存,需要先申请内存,使用完之后再释放内存。比如c语言中使用malloc/free
来分配/释放内存,c++中使用new/delete
来分配/释放内存。内存申请与释放都需要与操作系统进行交互,具体来说就是系统维护一个内存链表,当有一个内存申请过来时,根据分配算法在链表找一个合适的内存分配给它。分配的内存块可能会大于所申请的内存大小,这样需要进行切割,将剩余的内存插入到空闲链表中。释放的时候,系统要判断释放的内存块的前后是否有空闲,若有的话还要进行合并。可见,调用库中的内存分配函数,十分耗时。
另外,频繁的申请、释放内存,会使得一块大内存可能被分割成多块不连续的小内存。当需要再分配连续的大内存时候,尽管剩余内存的总和可能大于所要分配的内存大小,但系统就找不到连续的内存。这就是内存碎片的存在,从而导致分配错误。
综上所述,总结一下使用内存池的几个主要原因:
- 1)提高内存分配效率:传统的内存分配方式会涉及到频繁的系统调用和内存管理开销,而内存池可以在初始化时一次性地分配一块连续的内存空间,然后根据需要从该池中快速分配内存,避免了频繁的系统调用,从而提高了内存分配的效率。
- 2)降低内存碎片化:内存池会事先分配一定数量的连续内存块,当需要分配内存时,直接从这些预分配的内存块中获取,不涉及内存的分配和释放,减少了内存碎片的产生,提高了内存的利用率。
- 3)减少动态内存分配次数:内存池可以在程序初始化的时候一次性分配好所需的内存,然后在运行时通过内存池进行内存分配,避免了频繁的动态内存分配,从而减少了内存管理的开销和潜在的内存泄漏风险。
- 4)控制内存分配的策略:内存池可以自定义内存分配的策略,例如按照固定大小的内存块进行分配,或者按需动态调整内存池的大小等。这可以根据具体应用场景和需求来选择最合适的内存管理策略。
总之,内存池是一种有效管理内存的机制,通过提高内存分配和释放的效率,减少内存碎片化,降低动态内存分配的次数,能够帮助提高程序的性能和可靠性。
二、内存池的工作流程
1)开始时,申请一块大的内存(在该块内存不够用时在二次分配),
2)需要时,从这块内存中取出,并标记下这块内存被用了
3)释放时,标记此内存被释放了。注意此时并不真的把内存释放给操作系统,而是当一大块内存都空闲的时候,才释放给操作系统。
4)调用内存分配函数的时,小块内存每次都分配固定大小的内存块,这样就避免了内存碎片产生的可能。
参考 nginx 内存池的设计,以大、小块作为内存管理分配的方式。
具体来说,内存池中分大小块,申请内存大小大于某个值定为大块、否则是小块,内部使用链表串联。
三、内存池的实现
3.1 数据结构
大块内存结构
struct mp_large_s {
struct mp_large_s *next; // 指向下一个大块内存
void *alloc; // 指向实际分配的大块内存
};
小块内存结构
struct mp_node_s {
unsigned char *last; // 指向内存池中已分配结点的末尾,即下次可分配内存结点的首地址
unsigned char *end; // 指向内存池的末尾
struct mp_node_s *next; // 指向下一个结点
size_t failed; // 当前的内存池分配失败的次数
};
内存池结构
struct mp_pool_s {
size_t max; // 内存池可分配的最大空间,超过的话用大块内存
struct mp_node_s *current; // 指向当前内存池
struct mp_large_s *large; // 指向大块内存链表
struct mp_node_s head[0]; // 指向小块内存链表
};
3.2 接口设计
3.2.1 创建内存池
内存池创建的时候分三块,一块存储mp_pool_s
结构体,一块存储mp_node_s
结构体,一块为申请的内存块。返回指向整个内存池的指针p。
struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size) {
struct mp_pool_s *p;
// posix_memalign 用于分配内存块,并保证所分配的内存块以指定的对齐方式进行对齐。
// 参数:1)一个指向指针的指针,用于保存分配得到的内存块的地址。2)所需的内存对齐方式. 3)要分配的内存块的大小
// 一开始并不知道大块内存具体大小,因此只需要分配:申请空间的大小 + 内存池结构体大小 + 小块内存结点
int ret = posix_memalign((void **)&p, MP_ALIGNMENT, size + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s));
if (ret) {
return NULL;
}
p->max = (size < MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL; // 设置小块内存可分配的最大空间
p->current = p->head; // 设置当前指向的内存块
p->large = NULL; // 设置大块内存
p->head->last = (unsigned char *)p + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s);
p->head->end = p->head->last + size;
p->head->failed = 0;
return p;
}
3.2.2 内存池销毁
void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool) {
struct mp_node_s *h, *n;
struct mp_large_s *l;
// 释放大块内存
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
free(l->alloc);
}
}
// 释放小块内存
h = pool->head->next;
while (h) {
n = h->next;
free(h);
h = n;
}
// 释放内存池
free(pool);
}
3.2.3 内存分配
通过mp_alloc
向内存池申请内存,如果用户申请的内存大于pool->max
,则认为是大块内存,直接向 OS 申请。否则就是小块内存,直接在内存池里面分配。
如果申请小块内存,遍历现有的小块内存链表,寻找是否有满足需求的内存块
1)如果有,返回待分配内存块的首地址
2)如果没有,创新新的小块内存
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
unsigned char *m;
struct mp_node_s *p;
// 1、申请小块内存
if (size <= pool->max) {
p = pool->current;
do {
// 遍历小块内存链表,寻找可用的空间分配内存
m = mp_align_ptr(p->last, MP_ALIGNMENT);
// 若当前结点的剩余空间足够分配
if ((size_t)(p->end - m) >= size) {
p->last = m + size;
return m;
}
// 若当前内存块的剩余内存小于所需内存,则到下一个内存块中寻找
p = p->next;
} while (p);
// 没找到合适的小块内存,则申请小块内存
return mp_alloc_block(pool, size);
}
// 2、申请大块内存
return mp_alloc_large(pool, size);
}
1. 分配小块内存
调用mp_alloc_block
创建新的小块内存,并插入到小块内存链表的末尾。
有一种情况,每个小块内存最后都剩下一小块,比如A内存块剩下5,B内存块剩下16。current指向的是A。此时需要申请大小20的内存,从current开始查,A不满足。再申请大小10的内存,从current开始查,A还是不满足。每次都从A开始,就很费时间,因此引入failed
。
每次调用mp_alloc_block
函数,代表内存池现有小块内存的空间分配失败,此时,所有可用的小块内存的 failed + 1
,表示不满足用户的需求增加1次。若某个小块内存若连续 5 次不满足用户需求,则不再使用它,遍历时跳过。
static void *mp_alloc_block(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
unsigned char *m;
struct mp_node_s *h = pool->head;
// 第一个小块内存中,可分配的内存大小
size_t psize = (size_t)(h->end - (unsigned char *)h);
// 申请内存,大小与第一个小块内存一样
int ret = posix_memalign((void **)&m, MP_ALIGNMENT, psize);
if (ret) return NULL;
struct mp_node_s *p, *new_node, *current;
// 初始化新的内存块
new_node = (struct mp_node_s*)m;
new_node->end = m + psize;
new_node->next = NULL;
new_node->failed = 0;
// 将指针m移动到可分配内存的开始位置
m += sizeof(struct mp_node_s);
m = mp_align_ptr(m, MP_ALIGNMENT);
new_node->last = m + size;
// 从当前指向的内存块开始,寻找最后一个内存块链表的结点
current = pool->current;
for (p = current; p->next; p = p->next) {
// 若某个小块内存连续5次都分配失败,则跳过这个小块内存,下次不再遍历它
if (p->failed++ > 4) { //
current = p->next;
}
}
// 将新创建的内存块,尾插到小内存块链表
p->next = new_node;
// 更新pool->current指针,判断 current 是否为空?
// 若非空,指向current指向的结点;若为空,代表之前所有的内存块都分配失败,则指向新的内存块
pool->current = current ? current : new_node;
return m;
}
2. 分配大块内存
调用mp_alloc_large()
分配一个新的大块内存,插入到链表的开头,头插法。
static void *mp_alloc_large(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
void *p = malloc(size);
if (p == NULL) return NULL;
size_t n = 0;
struct mp_large_s *large;
// 遍历大块内存链表,找到可以挂载 p 的位置
for (large = pool->large; large; large = large->next) {
// 找到可以挂载的地方
if (large->alloc == NULL) {
large->alloc = p;
return p;
}
// 若连续 4 次都没找到,就不再寻找了
if (n ++ > 3) break;
}
// 创建一个新的大块内存结点,用来挂载p
large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));
if (large == NULL) {
free(p);
return NULL;
}
// 将新创建的结点,头插到大块内存链表中
large->alloc = p;
large->next = pool->large;
pool->large = large;
return p;
}
3.2.4 内存池的释放
Nginx 内存池内部仅提供大块内存的释放接口
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p) {
struct mp_large_s *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (p == l->alloc) {
free(l->alloc);
l->alloc = NULL;
return ;
}
}
}
3.2.5 内存池重置
nginx的小块内存是无法释放的,因为这个小块内存的分配都是通过last指针偏移的。
如果1和3分配出去了。但现在2不使用了,怎么归还到小块内存里?mp_node_s
结构通过指针last和end标识空闲内存,因此不能把2这块内存给拉进去空闲内存空间里面。
但是如果不释放小块内存,小块内存随着分配越来越大,系统的内存分配失败的概率越大。因此引入内存池重置。
当一个内存池被使用过一段时间后,可能会有一些内存块被分配出去,但是在后续的使用中,这些内存块可能已经不再需要了。此时,可以选择重置内存池,将所有已经分配的内存块释放回来,并重新初始化内存池的状态,使其恢复到最初的状态,以便重新利用这些内存空间。
void mp_reset_pool(struct mp_pool_s *pool) {
struct mp_node_s *h;
struct mp_large_s *l;
// 释放大块内存
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
free(l->alloc);
}
}
pool->large = NULL;
// 通过指针复位重置小块内存(不调用free归还内存)
for (h = pool->head; h; h = h->next) {
h->last = (unsigned char *)h + sizeof(struct mp_node_s);
}
}
3.3 完整代码
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define MP_ALIGNMENT 32
#define MP_PAGE_SIZE 4096
#define MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL (MP_PAGE_SIZE-1)
// 按指定的对齐方式 alignment 对齐。
#define mp_align(n, alignment) (((n)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))
#define mp_align_ptr(p, alignment) (void *)((((size_t)p)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))
// 大块内存结构
struct mp_large_s {
struct mp_large_s *next; // 指向下一个大块内存
void *alloc; // 指向实际分配的大块内存
};
// 小块内存结构
struct mp_node_s {
unsigned char *last; // 指向内存池中已分配结点的末尾,即下次可分配内存结点的首地址
unsigned char *end; // 指向内存池的末尾
struct mp_node_s *next; // 指向下一个结点
size_t failed; // 当前的内存池分配失败的次数
};
// 内存池结构
struct mp_pool_s {
size_t max; // 内存池可分配的最大空间,超过的话用大块内存
struct mp_node_s *current; // 指向当前内存池
struct mp_large_s *large; // 指向大块内存链表
struct mp_node_s head[0]; // 指向小块内存链表
};
struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size);
void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool);
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void *mp_nalloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void *mp_calloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p);
// 创建内存池
struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size) {
struct mp_pool_s *p;
// posix_memalign 用于分配内存块,并保证所分配的内存块以指定的对齐方式进行对齐。
// 参数:1)一个指向指针的指针,用于保存分配得到的内存块的地址。2)所需的内存对齐方式. 3)要分配的内存块的大小
// 一开始并不知道大块内存具体大小,因此只需要分配:申请空间的大小 + 内存池结构体大小 + 小块内存结点
int ret = posix_memalign((void **)&p, MP_ALIGNMENT, size + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s));
if (ret) {
return NULL;
}
p->max = (size < MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL; // 设置小块内存可分配的最大空间
p->current = p->head; // 设置当前指向的内存块
p->large = NULL; // 设置大块内存
p->head->last = (unsigned char *)p + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s);
p->head->end = p->head->last + size;
p->head->failed = 0;
return p;
}
// 内存池销毁
void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool) {
struct mp_node_s *h, *n;
struct mp_large_s *l;
// 释放大块内存
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
free(l->alloc);
}
}
// 释放小块内存
h = pool->head->next;
while (h) {
n = h->next;
free(h);
h = n;
}
// 释放内存池
free(pool);
}
// 重置内存池
void mp_reset_pool(struct mp_pool_s *pool) {
struct mp_node_s *h;
struct mp_large_s *l;
// 释放大块内存
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (l->alloc) {
free(l->alloc);
}
}
pool->large = NULL;
// 通过指针复位重置小块内存(不调用free归还内存)
for (h = pool->head; h; h = h->next) {
h->last = (unsigned char *)h + sizeof(struct mp_node_s);
}
}
// 分配小块内存
static void *mp_alloc_block(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
unsigned char *m;
struct mp_node_s *h = pool->head;
// 第一个小块内存中,可分配的内存大小
size_t psize = (size_t)(h->end - (unsigned char *)h);
// 申请内存,大小与第一个小块内存一样
int ret = posix_memalign((void **)&m, MP_ALIGNMENT, psize);
if (ret) return NULL;
struct mp_node_s *p, *new_node, *current;
// 初始化新的内存块
new_node = (struct mp_node_s*)m;
new_node->end = m + psize;
new_node->next = NULL;
new_node->failed = 0;
// 将指针m移动到可分配内存的开始位置
m += sizeof(struct mp_node_s);
m = mp_align_ptr(m, MP_ALIGNMENT);
new_node->last = m + size;
// 从当前指向的内存块开始,寻找最后一个内存块链表的结点
current = pool->current;
for (p = current; p->next; p = p->next) {
// 若某个小块内存连续5次都分配失败,则跳过这个小块内存,下次不再遍历它
if (p->failed++ > 4) { //
current = p->next;
}
}
// 将新创建的内存块,尾插到小内存块链表
p->next = new_node;
// 更新pool->current指针,判断 current 是否为空?
// 若非空,指向current指向的结点;若为空,代表之前所有的内存块都分配失败,则指向新的内存块
pool->current = current ? current : new_node;
return m;
}
// 分配大块内存
static void *mp_alloc_large(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
void *p = malloc(size);
if (p == NULL) return NULL;
size_t n = 0;
struct mp_large_s *large;
// 遍历大块内存链表,找到可以挂载 p 的位置
for (large = pool->large; large; large = large->next) {
// 找到可以挂载的地方
if (large->alloc == NULL) {
large->alloc = p;
return p;
}
// 若连续 4 次都没找到,就不再寻找了
if (n ++ > 3) break;
}
// 创建一个新的大块内存结点,用来挂载p
large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));
if (large == NULL) {
free(p);
return NULL;
}
// 将新创建的结点,头插到大块内存链表中
large->alloc = p;
large->next = pool->large;
pool->large = large;
return p;
}
// 对齐分配内存池
void *mp_memalign(struct mp_pool_s *pool, size_t size, size_t alignment) {
void *p;
int ret = posix_memalign(&p, alignment, size);
if (ret) {
return NULL;
}
struct mp_large_s *large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));
if (large == NULL) {
free(p);
return NULL;
}
large->alloc = p;
large->next = pool->large;
pool->large = large;
return p;
}
// 内存分配
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
unsigned char *m;
struct mp_node_s *p;
// 1、申请小块内存
if (size <= pool->max) {
p = pool->current;
do {
// 遍历小块内存链表,寻找可用的空间分配内存
m = mp_align_ptr(p->last, MP_ALIGNMENT);
// 若当前结点的剩余空间足够分配
if ((size_t)(p->end - m) >= size) {
p->last = m + size;
return m;
}
// 若当前内存块的剩余内存小于所需内存,则到下一个内存块中寻找
p = p->next;
} while (p);
// 没找到合适的小块内存,则申请小块内存
return mp_alloc_block(pool, size);
}
// 2、申请大块内存
return mp_alloc_large(pool, size);
}
// 非对齐分配内存池
void *mp_nalloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
unsigned char *m;
struct mp_node_s *p;
if (size <= pool->max) {
p = pool->current;
do {
m = p->last;
if ((size_t)(p->end - m) >= size) {
p->last = m+size;
return m;
}
p = p->next;
} while (p);
return mp_alloc_block(pool, size);
}
return mp_alloc_large(pool, size);
}
// 分配并清零内存空间。
void *mp_calloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {
// 在给定的内存池中进行内存分配
void *p = mp_alloc(pool, size);
if (p) {
//将分配到的内存块清零
memset(p, 0, size);
}
return p;
}
// 内存池释放,只针对大块内存
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p) {
struct mp_large_s *l;
for (l = pool->large; l; l = l->next) {
if (p == l->alloc) {
free(l->alloc);
l->alloc = NULL;
return ;
}
}
}
int main(int argc, char *argv[]) {
int size = 1 << 12;
struct mp_pool_s *p = mp_create_pool(size);
int i = 0;
for (i = 0;i < 10;i ++) {
void *mp = mp_alloc(p, 512);
}
printf("mp_create_pool: %ld\n", p->max);
printf("mp_align(123, 32): %d, mp_align(17, 32): %d\n", mp_align(24, 32), mp_align(17, 32));
int j = 0;
for (i = 0;i < 5;i ++) {
char *pp = mp_calloc(p, 32);
for (j = 0;j < 32;j ++) {
if (pp[j]) {
printf("calloc wrong\n");
}
printf("calloc success\n");
}
}
printf("mp_reset_pool\n");
for (i = 0;i < 5;i ++) {
void *l = mp_alloc(p, 8192);
mp_free(p, l);
}
mp_reset_pool(p);
printf("mp_destory_pool\n");
for (i = 0;i < 58;i ++) {
mp_alloc(p, 256);
}
mp_destory_pool(p);
return 0;
}