前戏

我们都知道，频繁的申请释放小块的内存会造成内存碎片，为了减少这个内存碎片，常常会采用内存池的方案。而本文的方案目的是：在给定的内存buffer上建立内存管理机制，根据用户需求从该buffer上分配内存或者将已经分配的内存释放回buffer中。要求是尽量减少内存碎片，平均效率高于C语言的malloc和free。

设计思路

将buffer分为四部分，第1部分是mem_pool结构体；第2部分是内存映射表；第3部分是内存chunk结构体缓冲区；第4部分是实际可分配的内存区。整个buffer结构如图所示：

• 第1部分的作用是可以通过该mem_pool结构体控制整个内存池。
• 第2部分的作用是记录第4部分，即实际可分配的内存区的使用情况。表中的每一个单元表示一个固定大小的内存块（block），多个连续的block组成一个chunk，每个block的详细结构如图所示：

其中count表示该block后面的与该block同属于一个chunk的blokc的个数，start表示该block所在的chunk的起始block索引。其实start这个域只有在每个chunk的最后一个block中才会用到（用于从当前chunk寻找前一个chunk的起始位置），而pmem_chunk则是一个指针，指向一个mem_chunk结构体。任意一块大小的内存都会被取向上整到block大小的整数倍。

• 第3部分是一个mem_chunk pool，其作用是存储整个程序可用的mem_chunk结构体。mem_chunk pool中的mem_chunk被组织成双向链表结构（快速插入和删除）。每个mem_chunk结构图如图所示：

其中pmem_block指向该chunk在内存映射表中的位置，others表示其他一些域，不同的实现对应该域的内容略有不同。

• 第4部分就是实际可以被分配给用户的内存。

整个内存池管理程序除了这四部分外，还有一个重要的内容就是memory chunk set。虽然其中的每个元素都来自mem_chunk pool，但是它与mem_chunk pool的不同之处在于其中的每个memory chunk中记录了当前可用的一块内存的相关信息。而mem_chunk pool中的memory chunk的内容是无定以的。可以这样理解mem_chunk pool与memory chunk set：mem_chunk pool是为memory chunk set分配内存的“内存池”，只是该“内存池”每次分配的内存大小是固定的，为mem_chunk结构体的大小。内存池程序主要是通过搜索这个memory chunk set来获取可被分配的内存。在memory chunk set上建立不同的数据结构就构成了不同的内存池实现方法，同时也导致了不同的搜索效率，直接影响内存池的性能，本文采用的是链表结构内存池的实现。

内存池管理程序运行过程

• 初始化：内存映射表中只有一块可用的内存信息，大小为内存池中所有可用的内存。从memory chunk pool中分配一个mem_chunk，使其指向内存映射表中的第一个block，并根据具体的内存池实现方式填充mem_chunk中的其他域，然后将该mem_chunk添加到memory chunk set中。
• 申请内存：当用户申请一块内存时，首先在memory chunk set中查找合适的内存块。如果找到符合要求的内存块，就在内存映射表中找到相应的chunk，并修改chunk中相应block结构体的内容，然后根据修改后的chunk修改memory chunk set中chunk的内容，最后返回分配内存的起始地址；否则返回NULL。
• 释放内存：当用户释放一块内存时，首先根据这块内存的起始地址找到其在内存映射表中对应的chunk，然后尝试将该chunk和与其相邻的chunk合并，修改chunk中相应block的内容并修改memory chunk set中相应chunk的内容或者向memory chunk set加入新的mem_chunk（这种情况在不能合并内存是发生）。

减少内存碎片方法

本文设计的方法只能在一定程度上减少内存碎片，并不能彻底消除内存碎片。具体方法如下：

在用户释放内存时，尝试将该内存与其相邻的内存合并。如果其相邻内存为未分配内存则合并成功，合并后作为一整块内存使用；如火其相邻内存为已分配内存则不能合并，该释放的内存块作为一个独立的内存块被使用。

链表结构的内存池实现

代码就不贴了，很长，而且头条的排版没法看。

性能分析

链表结构的内存池实现是指将memory chunk set实现为双链表结构。这种方法的优缺点如下：

优点：释放内存很快，O(1)复杂度。

缺点：分配内存较慢，O(n)复杂度。

内存池运行状态转移图

绿色表示未使用的内存，红色表示已经使用的内存。其中每个block表示64B，这个值可以根据具体需要设定。

• 初始化

• 申请内存

• 释放内存

性能测试

• 测试对象：C语言的malloc、free和内存池（大小为500M，实际可分配内存为310M）。
• 测试指标：执行n=2000次随机分配、释放随机大小内存（范围为64B~1024B）的时间比。
• 测试方法1：

（1） 生成n个随机数，大小在64~1024之间，用于表示n个要分配的内存大小；

（2） 生成n个随机数，取值 为0或者1，表示每次分配内存后紧接着是否释放内存；

（3） 测量C语言的malloc、free和内存池执行n次随机分配、释放随机大小内存的时间比ratio；

（4） 重复（3）m=200次，记录每次活动的ratio，并绘制相应的曲线。

• 测试方法2：

（1） 生成n个随机数，大小在a~b之间（初始值a=64，b=1024），用于表示n个要分配的内存大小；

（2） 测量C语言的malloc、free和内存池执行n次分配、释放随机大小内存的时间比ratio；

（3） 重复（2）m=512次，每次分配的内存容量的范围比前一次大1024B，记录每次获得的ratio，并绘制相应曲线。

性能测试结果

结论

从上面的内存池性能测试结果中可以看出，相比C语言的malloc和free，内存池使得用户分配内存和释放内存的效率有了较大的提高，这一优势尤其分配较大快的内存时体现的尤为突出。当然，本文的测试具有一定的局限性。测试用例还是不够全面。

好了，本期文章就到这里，感谢支持，咱们下期再见！

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