C++應(yīng)用程序性能優(yōu)化之內(nèi)存池

1、引言本書主要針對(duì)的是C+程序的性能優(yōu)化，深入介紹C+程序性能優(yōu)化的方法和實(shí)例。全書由4個(gè)篇組成，第1篇介紹C+語言的對(duì)彖模型，該篇是優(yōu)化C+程序的慕礎(chǔ)；第2篇主要針對(duì)如何優(yōu)化C+程序的內(nèi)存使用；第3篇介紹如何優(yōu)化程序的啟動(dòng)性能；第4篇介紹了三類性能優(yōu)化工具，即內(nèi)存分析工具、性能分析工具和I/O檢測(cè)工具，它們是測(cè)暈程序性能的利器。本章首先簡(jiǎn)單介紹門定義內(nèi)存池性能優(yōu)化的原理，然后列舉軟件開發(fā)中常用的內(nèi)存池的不同類型，并給出具體實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。6.1自定義內(nèi)存池性能優(yōu)化的原理如前所述，讀者C經(jīng)了解到堆和棧的區(qū)別。而在編程實(shí)踐中，不可避免地要人最用到堆上的內(nèi)存。例如在程序中維護(hù)一個(gè)鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，每次新

2、增或者刪除一個(gè)鏈表的節(jié)點(diǎn)，都需要從內(nèi)存堆上分配或者釋放一定的內(nèi)存；在維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組時(shí)，如果動(dòng)態(tài)數(shù)組的人小不能滿足程序需要時(shí)，也要在內(nèi)存堆上分配新的內(nèi)存空間。6.1.1默認(rèn)內(nèi)存管理函數(shù)的不足利用默認(rèn)的內(nèi)存管理函數(shù)new/delete或malloc/free在堆上分配和釋放內(nèi)存會(huì)有一些額外的開銷。系統(tǒng)在接收到分配一定人小內(nèi)存的請(qǐng)求時(shí)，首先查找內(nèi)部維護(hù)的內(nèi)存空閑塊表，并且需要根據(jù)一定的算法（例如分配最先找到的不小于中請(qǐng)人小的內(nèi)存塊給請(qǐng)求者，或者分配最適于中請(qǐng)人小的內(nèi)存塊，或者分配最人空閑的內(nèi)存塊等）找到合適人小的空閑內(nèi)存塊。如果該空閑內(nèi)存塊過人，還需要切割成C分配的部分和較小的空閑塊。然后系統(tǒng)更新

3、內(nèi)存空閑塊表，完成一次內(nèi)存分配。類似地，在釋放內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)把釋放的內(nèi)存塊重新加入到空閑內(nèi)存塊表中。如果有可能的話，可以把和鄰的空閑塊合并成較人的空閑塊。默認(rèn)的內(nèi)存管理函數(shù)還考慮到多線程的應(yīng)用，需要在每次分配和釋放內(nèi)存時(shí)加鎖，同樣增加了開銷。可見，如果應(yīng)用程序頻繁地在堆上分配和釋放內(nèi)存，則會(huì)導(dǎo)致性能的損失。并且會(huì)使系統(tǒng)中出現(xiàn)人量的內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存的利用率。默認(rèn)的分配和釋放內(nèi)存算法門然也考慮了性能，然而這些內(nèi)存管理算法的通用版本為了應(yīng)付更復(fù)雜、更廣泛的情況，需要做更多的額外工作。而對(duì)于某一個(gè)具體的應(yīng)用程序來說，適合門身特定的內(nèi)存分配釋放模式的門定義內(nèi)存池則可以獲得更好的性能。6.1.2內(nèi)存池的定

4、義和分類門定義內(nèi)存池的思想通過這個(gè)池字表露無疑，應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)的內(nèi)存分配調(diào)用預(yù)先一次性中請(qǐng)適當(dāng)人小的內(nèi)存作為一個(gè)內(nèi)存池，Z后應(yīng)用程序門己對(duì)內(nèi)存的分配和釋放則可以通過這個(gè)內(nèi)存池來完成。只有當(dāng)內(nèi)存池人小需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)展時(shí)，才需要再調(diào)用系統(tǒng)的內(nèi)存分配函數(shù)，其他時(shí)間對(duì)內(nèi)存的一切操作都在應(yīng)用程序的學(xué)控Z中。應(yīng)用程序門定義的內(nèi)存池根據(jù)不同的適用場(chǎng)景又有不同的類型。從線程安全的角度來分，內(nèi)存池可以分為單線程內(nèi)存池和多線程內(nèi)存池。單線程內(nèi)存池整個(gè)生命周期只被一個(gè)線程使用，因而不需要考慮互斥訪問的問題；多線程內(nèi)存池有可能被多個(gè)線程共亨，因此則需要在每次分配和釋放內(nèi)存時(shí)加鎖。和對(duì)而言,單線程內(nèi)存池性能更高，而多

5、線程內(nèi)存池適用范圍更廣。從內(nèi)存池可分配內(nèi)存單元人小來分，可以分為固定內(nèi)存池和可變內(nèi)存池。所謂固定內(nèi)存池是指應(yīng)用程序每次從內(nèi)存池中分配出來的內(nèi)存單元人小事先C經(jīng)確定，是固定不變的；而可變內(nèi)存池則每次分配的內(nèi)存單元人小可以按需變化，應(yīng)用范圍更廣,而性能比固定內(nèi)存池要低。6.1.3內(nèi)存池工作原理示例下面以固定內(nèi)存池為例說明內(nèi)存池的工作原理，如圖6-1所示。圖6-1固定內(nèi)存池固定內(nèi)存池由一系列固定人小的內(nèi)存塊組成，每一個(gè)內(nèi)存塊又包含了固定數(shù)最和人小的內(nèi)存單元。如圖6-1所示，該內(nèi)存池一共包含4個(gè)內(nèi)存塊。在內(nèi)存池初次生成時(shí)，只向系統(tǒng)中請(qǐng)了一個(gè)內(nèi)存塊，返回的指針作為整個(gè)內(nèi)存池的頭指針。Z后隨著應(yīng)用程序?qū)?nèi)

6、存的不斷需求，內(nèi)存池判斷需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)人時(shí)，才再次向系統(tǒng)中請(qǐng)新的內(nèi)存塊，并把所有這些內(nèi)存塊通過指針鏈接起來。對(duì)于操作系統(tǒng)來說，它C經(jīng)為該應(yīng)用程序分配了4個(gè)等人小的內(nèi)存塊。由于是人小固定的，所以分配的速度比較快；而對(duì)于應(yīng)用程序來說，其內(nèi)存池開辟了一定大小，內(nèi)存池內(nèi)部卻還有剩余的空間。例如放人來看第4個(gè)內(nèi)存塊，其中包含一部分內(nèi)存池塊頭信息和3個(gè)大小札I等的內(nèi)存池單元。單元1和單元3是空閑的，單元2C經(jīng)分配。當(dāng)應(yīng)用程序需要通過該內(nèi)存池分配一個(gè)單元人小的內(nèi)存時(shí)，只需要簡(jiǎn)單遍歷所有的內(nèi)存池塊頭信息，快速定位到還有空閑單元的那個(gè)內(nèi)存池塊。然后根據(jù)該塊的塊頭信息直接定位到第1個(gè)空閑的單元地址，把這個(gè)地址返回，并

7、且標(biāo)記下一個(gè)空閑單元即可；當(dāng)應(yīng)用程序釋放某一個(gè)內(nèi)存池單元時(shí)，直接在對(duì)應(yīng)的內(nèi)存池塊頭信息中標(biāo)記該內(nèi)存單元為空閑單元即可?？梢娕c系統(tǒng)管理內(nèi)存相比，內(nèi)存池的操作非常迅速，它在性能優(yōu)化方面的優(yōu)點(diǎn)主要如下。（1）針對(duì)特殊情況，例如需要頻繁分配釋放固定人小的內(nèi)存對(duì)彖時(shí)，不需要復(fù)雜的分配算法和多線程保護(hù)。也不需要維護(hù)內(nèi)存空閑表的額外開銷，從而獲得較高的性能。（2）由于開辟一定數(shù)暈的連續(xù)內(nèi)存空間作為內(nèi)存池塊，因而一定程度上提高了程序局部性，提升了程序性能。（3）比較容易控制頁(yè)邊界對(duì)齊和內(nèi)存字節(jié)對(duì)齊，沒有內(nèi)存碎片的問題?；仨?yè)首&2個(gè)內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)實(shí)例本節(jié)分析在某個(gè)人型應(yīng)用程序?qū)嶋H應(yīng)用到的一個(gè)內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)講解

8、其使用方法與工作原理。這是一個(gè)應(yīng)用于單線程環(huán)境且分配單元大小固定的內(nèi)存池，一般用來為執(zhí)行時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)頻繁地創(chuàng)建且可能會(huì)被多次創(chuàng)建的類對(duì)象或者結(jié)構(gòu)體分配內(nèi)存。本節(jié)首先講解該內(nèi)存池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聲明及圖示，接著描述其原理及行為特征。然后逐一講解實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，最后介紹如何在實(shí)際程序中應(yīng)用此內(nèi)存池，并與使用普通內(nèi)存函數(shù)中請(qǐng)內(nèi)存的程序性能作比較。6.2.1內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)存池類MemoryPoo1的聲明如卜：classMemoryPoolprivate:MemoryBlock*USHORTUSHORTUSHORTpBlock;nUnitSize;nlnitSize;nGrowSize;public:MemoryPool(

9、USHORTnUnitSize,USHORTnlnitSize=1024,USHORTnGrowSize=256);MemoryPool();void*voidAlloc();Free(void*p);MemoryBlock為內(nèi)存池中附著在真正用來為內(nèi)存請(qǐng)求分配內(nèi)存的內(nèi)存塊頭部的結(jié)構(gòu)體，它描述了與Z聯(lián)系的內(nèi)存塊的使用信息：structMemoryBlockUSHORTUSHORTUSHORTUSHORTMemoryBlock*charnSize;nFree;nFirst;nDummyAlignl;pNext;aDataEl;staticvoid*operatornew(size_t,USHOR

10、TnTypes,USHORTnUnitSize)return:operatornew(sizeof(MemoryBlock)+nTypes*nUnitSize);staticvoidoperatordelete(void*p,size_t):：operatordelete(p);USHORTnUnitSize二USHORTnUnitSize二0);；此內(nèi)存池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。MemoiyBlock圖6-2內(nèi)存池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MemoiyBlock圖6-2內(nèi)存池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MemoiyPoolMemoiyBlock6.2.2總體機(jī)制此內(nèi)存池的總體機(jī)制如下。（1）在運(yùn)行過程中，MemoryPoo

11、l內(nèi)存池可能會(huì)有多個(gè)用來滿足內(nèi)存中請(qǐng)請(qǐng)求的內(nèi)存塊，這些內(nèi)存塊是從進(jìn)程堆中開辟的一個(gè)較人的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域，它由一個(gè)MemoryBlock結(jié)構(gòu)體和多個(gè)可供分配的內(nèi)存單元組成，所有內(nèi)存塊組成了一個(gè)內(nèi)存塊鏈表，MemoryPool的pBlock是這個(gè)鏈表的頭。對(duì)每個(gè)內(nèi)存塊，都可以通過其頭部的MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的pNext成員訪問緊跟在其后面的那個(gè)內(nèi)存塊。（2）每個(gè)內(nèi)存塊由兩部分組成，即一個(gè)MemoryBlock結(jié)構(gòu)體和多個(gè)內(nèi)存分配單元。這些內(nèi)存分配單元人小固定（由MemoryPool的nUnitSize表示），MemoryBlock結(jié)構(gòu)體并不維護(hù)那些C經(jīng)分配的單元的信息：相反，它只維護(hù)沒有分配

12、的門由分配單元的信息。它有兩個(gè)成員比較重要：nFree和nFirst。nFree記錄這個(gè)內(nèi)存塊中還有多少個(gè)門由分配單元，而nFirst則記錄下一個(gè)可供分配的單元的編號(hào)。每一個(gè)門由分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)（即一個(gè)USHORT型值）記錄了緊跟它Z后的下一個(gè)門由分配單元的編號(hào)，這樣，通過利用每個(gè)門由分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)，一個(gè)MemoryBlock中的所有自由分配單元被鏈接起來。（3）當(dāng)有新的內(nèi)存請(qǐng)求到來時(shí),MemoryPool會(huì)通過pBlock遍歷MemoryBlock鏈表,直到找到某個(gè)MemoryBlock所在的內(nèi)存塊，其中還有門由分配單元（通過檢測(cè)MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的nFree成員是否人于

13、0）。如果找到這樣的內(nèi)存塊，取得其MemoryBlock的nFirst值（此為該內(nèi)存塊中第1個(gè)可供分配的門由單元的編號(hào)）。然后根據(jù)這個(gè)編號(hào)定位到該門由分配單元的起始位置（因?yàn)樗蟹峙鋯卧诵」潭?因此每個(gè)分配單元的起始位置都可以通過編號(hào)分配單元人小來偏移定位），這個(gè)位置就是用來滿足此次內(nèi)存中請(qǐng)請(qǐng)求的內(nèi)存的起始地址。但在返回這個(gè)地址前，需要首先將該位置開始的頭兩個(gè)字節(jié)的值（這兩個(gè)字節(jié)值記錄其之后的下一個(gè)門由分配單元的編號(hào)）賦給本內(nèi)存塊的MemoryBlock的nFirst成員。這樣下一次的請(qǐng)求就會(huì)用這個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存單元來滿足，同時(shí)將此內(nèi)存塊的MemoryBlock的nFree遞減1,然后才將剛

14、才定位到的內(nèi)存單元的起始位置作為此次內(nèi)存請(qǐng)求的返回地址返回給調(diào)用者。（4）如果從現(xiàn)有的內(nèi)存塊中找不到一個(gè)門由的內(nèi)存分配單元（當(dāng)?shù)?次請(qǐng)求內(nèi)存,以及現(xiàn)有的所有內(nèi)存塊中的所有內(nèi)存分配單元都匕經(jīng)被分配時(shí)會(huì)發(fā)生這種情形），MemoryPool就會(huì)從進(jìn)程堆中中請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存塊（這個(gè)內(nèi)存塊包括一個(gè)MemoryBlock結(jié)構(gòu)體，及緊鄰其后的多個(gè)內(nèi)存分配單元，假設(shè)內(nèi)存分配單元的個(gè)數(shù)為n,n可以取值MemoryPool中的nInitSize或者nGrowSize）,中請(qǐng)完后，并不會(huì)立刻將其中的一1個(gè)分配單元分配岀去，而是需要首先初始化這個(gè)內(nèi)存塊。初始化的操作包括設(shè)置MemoryBlock的nSize為所有內(nèi)存分配單

15、元的人小（注意，并不包括MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的人?。?、nFree為n-l（注意，這里是n-l而不是n,因?yàn)榇舜涡聝?nèi)存塊就是為了滿足一次新的內(nèi)存請(qǐng)求而中請(qǐng)的，馬上就會(huì)分配一塊門由存儲(chǔ)單元出去，如果設(shè)為n-1,分配一個(gè)門由存儲(chǔ)單元后無須再將n遞減1）,nFirst為1（C經(jīng)知道nFirst為下一個(gè)可以分配的門由存儲(chǔ)單元的編號(hào)。為1的原因與nFree為nl相同，即立即會(huì)將編號(hào)為0的門由分配單元分配出去?，F(xiàn)在設(shè)為1,其后不用修改nFirst的值），MemoryBlock的構(gòu)造需要做更重要的事情，即將編號(hào)為0的分配單元Z后的所有門由分配單元鏈接起來。如前所述，每個(gè)門由分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)用來存儲(chǔ)

16、下一個(gè)門由分配單元的編號(hào)。另外，因?yàn)槊總€(gè)分配單元人小固定，所以可以通過其編號(hào)和單元人?。∕emoryPool的nUnitSize成員）的乘積作為偏移值進(jìn)彳亍定位。現(xiàn)在唯一的問題是定位從哪個(gè)地址開始？答案是MemoryBlock的aDataEl成員開始。因?yàn)閍Datall實(shí)際上是屬于MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的（MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)字節(jié)），所以實(shí)質(zhì)上，MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)字節(jié)也用做被分配岀去的分配單元的一部分。因?yàn)檎麄€(gè)內(nèi)存塊由MemoryBlock結(jié)構(gòu)體和整數(shù)個(gè)分配單元組成，這意味著內(nèi)存塊的最后一個(gè)字節(jié)會(huì)被浪費(fèi)，這個(gè)字節(jié)在圖6-2中用位于兩個(gè)內(nèi)存的最后部分的

17、濃黑背景的小塊標(biāo)識(shí)。確定了分配單元的起始位置后，將門由分配單元鏈接起來的工作就很容易了。即從aData位置開始，每隔nUnitSize人小取其頭兩個(gè)字節(jié)，記錄其Z后的門由分配單元的編號(hào)。因?yàn)閯傞_始所有分配單元都是門由的，所以這個(gè)編號(hào)就是門身編號(hào)加1,即位置上緊跟其后的單元的編號(hào)。初始化后，將此內(nèi)存塊的第1個(gè)分配單元的起始地址返回，C經(jīng)知道這個(gè)地址就是aDatao（5）當(dāng)某個(gè)被分配的單元因?yàn)閐elete需要回收時(shí)，該單元并不會(huì)返回給進(jìn)程堆，而是返回給MemoryPoolo返回時(shí)，MemoryPool能夠知道該單元的起始地址。這時(shí),MemoryPool開始遍歷其所維護(hù)的內(nèi)存塊鏈表，判斷該單元的起始

18、地址是否落在某個(gè)內(nèi)存塊的地址范圍內(nèi)。如果不在所有內(nèi)存地址范圍內(nèi)，則這個(gè)被回收的單元不屬于這個(gè)MemoryPool：如果在菜個(gè)內(nèi)存塊的地址范圍內(nèi)，那么它會(huì)將這個(gè)剛剛回收的分配單元加到這個(gè)內(nèi)存塊的MemoryBlock所維護(hù)的門由分配單元鏈表的頭部，同時(shí)將其nFree值遞增1?；厥蘸?，考慮到資源的有效利用及后續(xù)操作的性能，內(nèi)存池的操作會(huì)繼續(xù)判斷：如果此內(nèi)存塊的所有分配單元都是門由的，那么這個(gè)內(nèi)存塊就會(huì)從MemoryPool中被移出并作為一個(gè)整體返回給進(jìn)程堆;如果該內(nèi)存塊4還有非門由分配單元，這時(shí)不能將此內(nèi)存塊返回給進(jìn)程堆。但是因?yàn)閯倓傆幸粋€(gè)分配單元返回給了這個(gè)內(nèi)存塊，即這個(gè)內(nèi)存塊有門由分配單元可供

19、下次分配，因此它會(huì)被移到MemoryPool維護(hù)的內(nèi)存塊的頭部。這樣下次的內(nèi)存請(qǐng)求到來，MemoryPool遍歷其內(nèi)存塊鏈表以尋找門由分配單元時(shí)，第1次尋找就會(huì)找到這個(gè)內(nèi)存塊。因?yàn)檫@個(gè)內(nèi)存塊確實(shí)有自由分配單元，這樣可以減少M(fèi)emoryPool的遍歷次數(shù)。綜上所述，每個(gè)內(nèi)存池（MemoryPool）維護(hù)一個(gè)內(nèi)存塊鏈表（單鏈表），每個(gè)內(nèi)存塊由一個(gè)維護(hù)該內(nèi)存塊信息的塊頭結(jié)構(gòu)（MemoryBlock）和多個(gè)分配單元組成，塊頭結(jié)構(gòu)MemoryBlock則進(jìn)一步維護(hù)一個(gè)該內(nèi)存塊的所有門由分配單元組成的鏈表這個(gè)鏈表不是通過指向下一個(gè)門由分配單元的指針鏈接起來的，而是通過下一個(gè)H由分配單元的編號(hào)鏈接起來，這個(gè)

20、編號(hào)值存儲(chǔ)在該H由分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)中。另外，第1個(gè)門由分配單元的起始位置并不是MemoryBlock結(jié)構(gòu)體后面的第1個(gè)地址位置，而是MemoryBlock結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的最后一個(gè)字節(jié)aData（也可能不是最后一個(gè)，因?yàn)榭紤]到字節(jié)對(duì)齊的問題），即分配單元實(shí)際上往前面錯(cuò)了一位。又因?yàn)镸emoryBlock結(jié)構(gòu)體后面的空間剛好是分配單元的整數(shù)倍,這樣依次錯(cuò)位下去,內(nèi)存塊的最后一個(gè)字節(jié)實(shí)際沒有被利用。這么做的一個(gè)原因也是考慮到不同平臺(tái)的移植問題，因?yàn)椴煌脚_(tái)的對(duì)齊方式可能不盡相同。即當(dāng)中請(qǐng)MemoryBlock人小內(nèi)存時(shí)，可能會(huì)返回比其所有成員人小總和還要大一些的內(nèi)存。最后的幾個(gè)字節(jié)是為了補(bǔ)齊，而使得

21、aData成為第1個(gè)分配單元的起始位置，這樣在對(duì)齊方式不同的各種平臺(tái)上都可以工作。6.2.3細(xì)節(jié)剖析有了上述的總體印象后，本節(jié)來仔細(xì)剖析其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。MemoryPool的構(gòu)造如下:MemoryPool:MemoryPool(USHORT_nUnitSize,USHORTnlnitSize,USHORTnGrowSize)pBlock二NULL;nlnitSize=_nInitSize;nGrowSize=_nGrowSize;(MEMP00L.ALIGNMENT-1)&if(_nUnitSize4)nUnitSize二(_nUnitSize(MEIPOOL_ALIGNMENT-1):(MEMP

22、00L.ALIGNMENT-1)&elseif(_nUnitSizenFree、pMyBlock=pMyBlock-pNext;if(pMyBlock)char*pFree=pMyBlock-aData+(pMyBlock-nFirst*nUnitSize);pMyB1ock-nFirst二*(USHORT*)pFree);pIyBlocknFree-一；return(void*)pFree;elseftif(!nGrowSize)returnNULL;pMyBlock二new(nGrowSize,nUnitSize)FixedMemBlock(nGrowSize,nUnitSize);if(

23、!pMyBlock)returnNULL;pMyB1ock-pNext=pBlock;pBlock=pMyBlock;return(void*)(pMyBlock-aData);MemoryPool滿足內(nèi)存請(qǐng)求的步驟主要由四步組成。處首先判斷內(nèi)存池當(dāng)前內(nèi)存塊鏈表是否為空，如果為空，則意味著這是第1次內(nèi)存中請(qǐng)請(qǐng)求。這時(shí)，從進(jìn)程堆中中請(qǐng)一個(gè)分配單元個(gè)數(shù)為nInitSize的內(nèi)存塊，并初始化該內(nèi)存塊（主要初始化MemoryBlock結(jié)構(gòu)體成員，以及創(chuàng)建初始的廣I由分配單元鏈表，下面會(huì)詳細(xì)分析其代碼）。如果該內(nèi)存塊中請(qǐng)成功，并初始化完畢，返回第1個(gè)分配單元給調(diào)用函數(shù)。第1個(gè)分配單元以MemoryBlo

24、ck結(jié)構(gòu)體內(nèi)的最后一個(gè)字節(jié)為起始地址。處的作用是當(dāng)內(nèi)存池中匕有內(nèi)存塊（即內(nèi)存塊鏈表不為空）時(shí)遍歷該內(nèi)存塊鏈表,尋找還有門由分配單元的內(nèi)存塊。處檢查如果找到還有廣|由分配單元的內(nèi)存塊，則定位到該內(nèi)存塊現(xiàn)在可以用的門由分配單元處。定位以MemoryBlock結(jié)構(gòu)體內(nèi)的最后一個(gè)字節(jié)位置aData為起始位賢，以MemoryPool的nUnitSize為步長(zhǎng)來進(jìn)行。找到后，需要修改MemoryBlock的nFree信息（剩下來的門由分配單元比原來減少了一個(gè)），以及修改此內(nèi)存塊的門由存儲(chǔ)單元鏈表的信息。在找到的內(nèi)存塊中，pMyBlock-nFirst為該內(nèi)存塊中門由存儲(chǔ)單元鏈表的表頭，其下一個(gè)門由存儲(chǔ)單元

25、的編號(hào)存放在PMyBlock-nFirst指示的門由存儲(chǔ)單元（亦即剛才定位到的門由存儲(chǔ)單元）的頭兩個(gè)字節(jié)。通過剛才定位到的位置，取其頭兩個(gè)字節(jié)的值，賦給PMyBlock-nFirst,這就是此內(nèi)存塊的門由存儲(chǔ)單元鏈表的新的表頭，即下一次分配出去的門由分配單元的編號(hào)（如果nFree人于零的話）。修改維護(hù)信息后，就可以將剛才定位到的門由分配單元的地址返回給此次中請(qǐng)的調(diào)用函數(shù)。注意，因?yàn)檫@個(gè)分配單元C經(jīng)被分配，而內(nèi)存塊無須維護(hù)C分配的分配單元，因此該分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)的信息C經(jīng)沒有用處。換個(gè)角度看，這個(gè)門由分配單元返回給調(diào)用函數(shù)后，調(diào)用函數(shù)如何處置這塊內(nèi)存，內(nèi)存池?zé)o從知曉，也無須知曉。此分配單元在

26、返回給調(diào)用函數(shù)時(shí)，其內(nèi)容對(duì)于調(diào)用函數(shù)來說是無意義的。因此兒乎可以肯定調(diào)用函數(shù)在用這個(gè)單元的內(nèi)存時(shí)會(huì)覆蓋其原來的內(nèi)容，即頭兩個(gè)字節(jié)的內(nèi)容也會(huì)被抹去。因此每個(gè)存儲(chǔ)單元并沒有因?yàn)樾枰溄佣攵嘤嗟木S護(hù)信息，而是直接利用單元內(nèi)的頭兩個(gè)字節(jié)，當(dāng)其分配后，頭兩個(gè)字節(jié)也可以被調(diào)用函數(shù)利用。而在門由狀態(tài)時(shí)，則用來存放維護(hù)信息，即下一個(gè)門由分配單元的編號(hào)，這是一個(gè)有效利用內(nèi)存的好例子。處表示在處遍歷時(shí)，沒有找到還有門由分配單元的內(nèi)存塊，這時(shí)，需要重新向進(jìn)程堆中請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存塊。因?yàn)椴皇堑谝淮沃姓?qǐng)內(nèi)存塊，所以中請(qǐng)的內(nèi)存塊包含的分配單元個(gè)數(shù)為nGrowSize,而不再是nlnitSize。與處和同，先做這個(gè)新中請(qǐng)內(nèi)存

27、塊的初始化工作，然后將此內(nèi)存塊插入MemoryPool的內(nèi)存塊鏈表的頭部，再將此內(nèi)存塊的第1個(gè)分配單元返回給調(diào)用函數(shù)。將此新內(nèi)存塊插入內(nèi)存塊鏈表的頭部的原因是該內(nèi)存塊還有很多可供分配的門由分配單元（除非nGrowSize等于1,這應(yīng)該不太可能。因?yàn)閮?nèi)存池的含義就是一次性地從進(jìn)程堆中中請(qǐng)一人塊內(nèi)存，以供后續(xù)的多次中請(qǐng)），放在頭部可以使得在下次收到內(nèi)存中請(qǐng)時(shí)，減少處對(duì)內(nèi)存塊的遍歷時(shí)間?？梢杂脠D62的MemoryPool來展示MemoryPool:Alloc的過程。圖6-3是某個(gè)時(shí)刻MemoryPool的內(nèi)部狀態(tài)。圖6-3某個(gè)時(shí)刻MemoryPool的內(nèi)部狀態(tài)MernoiyPoolMemolyBlo

28、ckMeraoiyBlock因?yàn)镸emoryPool的內(nèi)存塊鏈表不為空，因此會(huì)遍歷其內(nèi)存塊鏈表。又因?yàn)榈?個(gè)內(nèi)存塊里有門由的分配單元，所以會(huì)從第1個(gè)內(nèi)存塊中分配。檢査nFirst,其值為m,這時(shí)pBlock-aData+（pBlock-nFirst*nUnitSize）定位到編號(hào)為皿的門由分配單元的起始位置（用pFree表示）。在返回pFreeZ前，需要修改此內(nèi)存塊的維護(hù)信息。首先將nFree遞減1,然后取得pFree處開始的頭兩個(gè)字節(jié)的值（需要說明的是，這里aData處值為k。其實(shí)不是這一個(gè)字節(jié)。而是以aData和緊跟其后的另外一個(gè)字節(jié)合在一起構(gòu)成的一個(gè)USHORT的值，不可誤會(huì)）。發(fā)現(xiàn)為心

29、這時(shí)修改pBlock的nFirst為k。然后，返回pFreeo此時(shí)MemoryPool的結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。圖6-4MemoryPool的結(jié)構(gòu)MeraolyPoolMernoiyBlockpBLockriSizeriSizenUriitSizenUriitSizeiiFreeiiFreerdnitSizerdnitSizenFiist:knGrowSizenGrowSizenFiist:kpNext張唸N滋瑟滋必沁么，:MernoiyBLock00圖6-4MemoryPool的結(jié)構(gòu)MeraolyPoolMernoiyBlockpBLockriSizeriSizenUriitSizenUriit

30、SizeiiFreeiiFreerdnitSizerdnitSizenFiist:knGrowSizenGrowSizenFiist:kpNext張唸N滋瑟滋必沁么，:MernoiyBLock00可以看到，原來的第1個(gè)可供分配的單元(m編號(hào)處)C經(jīng)顯示為被分配的狀態(tài)。而pBlock的nFirstC經(jīng)指向原來m單元下一個(gè)門由分配單元的編號(hào)，即koMemoryPool回收內(nèi)存時(shí)：voidMemoryPool:Free(void*pFree)MemoryBlock*pMyBlock=pBlock;while(ULONG)pMyBlock-aData(ULONG)pFree)|(L10NG)pFree

31、=(ULONG)pMyBlock-aData+pMyBlock-nSize)(DpMyBlock-nFree+;*(USHORT*)pFree)=pMyBlock-nFirst;pMyBlock-nFirst=(USHORT)(ULONG)pFree-(ULONG)(pBlock-aData)/nUnitSize);if(pMyBlock-nFree*nUnitSize=pMyB1ock-nSize)else如前所述，回收分配單元時(shí)，可能會(huì)將整個(gè)內(nèi)存塊返回給進(jìn)程堆，也可能將被回收分配單元所屬的內(nèi)存塊移至內(nèi)存池的內(nèi)存塊鏈表的頭部。這兩個(gè)操作都需要修改鏈表結(jié)構(gòu)。這時(shí)需要知道該內(nèi)存塊在鏈表中前一個(gè)位

32、置的內(nèi)存塊。處遍歷內(nèi)存池的內(nèi)存塊鏈表，確定該待回收分配單元(pFree)落在哪一個(gè)內(nèi)存塊的指針范圍內(nèi)，通過比較指針值來確定。運(yùn)行到處，pMyBlock即找到的包含pFree所指向的待回收分配單元的內(nèi)存塊(當(dāng)然，這時(shí)應(yīng)該還需要檢査pMyBlock為NULL時(shí)的情形，即pFree不屬于此內(nèi)存池的范圍，因此不能返回給此內(nèi)存池，讀者可以門行加上)。這時(shí)將pMyBlock的nFree遞增1,表示此內(nèi)存塊的自由分配單元多了一個(gè)。處用來修改該內(nèi)存塊的門由分配單元鏈表的信息，它將這個(gè)待回收分配單元的頭兩個(gè)字節(jié)的值指向該內(nèi)存塊原來的第一個(gè)可分配的門由分配單元的編號(hào)。處將pMyBlock的nFirst值改變?yōu)橹赶?/p>

33、這個(gè)待回收分配單元的編號(hào)，其編號(hào)通過計(jì)算此單元的起始位置相對(duì)pMyBlock的aData位置的差值，然后除以步長(zhǎng)(nUnitSize)得到。實(shí)質(zhì)上，和兩步的作用就是將此待回收分配單元真正回收。值得注意的是，這兩步實(shí)際上是使得此回收單元成為此內(nèi)存塊的下一個(gè)可分配的h由分配單元，即將它放在了門由分配單元鏈表的頭部。注意，其內(nèi)存地址并沒有發(fā)生改變。實(shí)際上,一個(gè)分配單元的內(nèi)存地址無論是在分配后，還是處于門由狀態(tài)時(shí)，一宜都不會(huì)變化。變化的只是其狀態(tài)(C分配/門由)，以及當(dāng)其處于門由狀態(tài)時(shí)在門由分配單元鏈表中的位置。處檢查當(dāng)回收完畢后，包含此回收單元的內(nèi)存塊的所有單元是否都處于門由狀態(tài),且此內(nèi)存是否處于內(nèi)

34、存塊鏈表的頭部。如果是，將此內(nèi)存塊整個(gè)的返回給進(jìn)程堆，同時(shí)修改內(nèi)存塊鏈表結(jié)構(gòu)。注意，這里在判斷一個(gè)內(nèi)存塊的所有單元是否都處于門由狀態(tài)時(shí)，并沒有遍歷其所有單元，而是判斷nFree乘以nUnitSize是否等丁nSize。nSize是內(nèi)存塊中所有分配單元的人小，而不包括頭部MemoryBlock結(jié)構(gòu)體的人小。這里可以看到其用意，即用來快速檢査某個(gè)內(nèi)存塊中所有分配單元是否全部處于門由狀態(tài)。因?yàn)橹恍杞Y(jié)合nFree和nUnitSize來計(jì)算得出結(jié)論，而無須遍歷和計(jì)算所有門由狀態(tài)的分配單元的個(gè)數(shù)。另外還需注意的是，這里并不能比較nFree與nlnitSize或nGrowSize的人小來判斷某個(gè)內(nèi)存塊中所有

35、分配單元都為門由狀態(tài)，這是因?yàn)榈?次分配的內(nèi)存塊（分配單元個(gè)數(shù)為nlnitSize）可能被移到鏈表的后面，其至可能在移到鏈表后面后，因?yàn)槟硞€(gè)時(shí)間其所有單元都處于n由狀態(tài)而被整個(gè)返回給進(jìn)程堆。即在回收分配單元時(shí)，無法判定某個(gè)內(nèi)存塊中的分配單元個(gè)數(shù)到底是nInitSize還是nGrowSize,也就無法通過比較nFree與nlnitSize或nGrowSize的人小來判斷一個(gè)內(nèi)存塊的所有分配單元是否都為門由狀態(tài)。以上面分配后的內(nèi)存池狀態(tài)作為例子，假設(shè)這時(shí)第2個(gè)內(nèi)存塊中的最后一個(gè)單元需要回收（已被分配，假設(shè)其編號(hào)為m,pFree指針指向它），如圖6-5所示。不難發(fā)現(xiàn)，這時(shí)nFirst的值由原來的0變

36、為m。即此內(nèi)存塊下一個(gè)被分配的單元是m編號(hào)的單元，而不是0編號(hào)的單元（最先分配的是最新回收的單元，從這一點(diǎn)看,這個(gè)過程與棧的原理類似，即先進(jìn)后出。只不過這里的進(jìn)意味著回收，而出則意味著分配“）。相應(yīng)地，m的下一個(gè)自由單元標(biāo)記為0,即內(nèi)存塊原來的下一個(gè)將被分配岀去的單元，這也表明最近回收的分配單元被插到了內(nèi)存塊的門由分配單元鏈表的頭部。當(dāng)然，nFree遞增1。MeinoiyBtocknSizenFieeriSizeiiFreerdiiitSizenGioizeriFirst:OnFiiet:kpNextpNext三或歟說；;MeinoiyBtocknSizenFieeriSizeiiFreerd

37、iiitSizenGioizeriFirst:OnFiiet:kpNextpNext三或歟說；;pFree、K，,丁:：處理至處Z前，其狀態(tài)如圖6-6所示。圖6-6處理至處之前的內(nèi)存池狀態(tài)MemoiyPoolMerttoiyBlockMemoiyBlockaSizeiiFreeriFirsi:mpNext.邊dt&nTT：aData!k-：pFiee圖6-5分配后的內(nèi)存池狀態(tài)MemoiyPoolMernoiyBlockpBLocknUnitSizeMernoiyBlockMerrioiyBlockMernoiyBlockMerrioiyBlock這里需要注意的是，雖然pFree被回收，但是pF

38、ree仍然指向m編號(hào)的單元，這個(gè)單元在回收過程中，其頭兩個(gè)字節(jié)被覆寫，但其他部分的內(nèi)容并沒有改變。而且從整個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存使用和度來看，這個(gè)m編號(hào)的單元的狀態(tài)仍然是有效的。因?yàn)檫@里的回收只是回收給了內(nèi)存池，而并沒有回收給進(jìn)程堆，因此程序仍然可以通JIpFree訪問此單元。但是這是一個(gè)很危險(xiǎn)的操作，因?yàn)槭紫仍搯卧诨厥者^程中頭兩個(gè)字節(jié)C被覆寫，并且該單元可能很快就會(huì)被內(nèi)存池重新分配。因此回收后通PFree指針對(duì)這個(gè)單元的訪問都是錯(cuò)誤的，讀操作會(huì)讀到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，寫操作則可能會(huì)破壞程序中其他地方的數(shù)據(jù)，因此需要格外小心。接著，需要判斷該內(nèi)存塊的內(nèi)部使用情況，及其在內(nèi)存塊鏈表中的位置。如果該內(nèi)存塊中省略號(hào)

39、所表示的其他部分中還有被分配的單元，即nFree乘以nUnitSize不等于nSize。因?yàn)榇藘?nèi)存塊不在鏈表頭，因此還需要將其移到鏈表頭部,如圖6-7所示。圖6-7因回收引起的MemoryBlock移動(dòng)MeirioryPoolpBlocknUriitSizerJriitSizeitGrowSize如果該內(nèi)存塊中省略號(hào)表示的其他部分中全部都是fl由分配單元，即nFree乘以nUnitSize等于nSize。因?yàn)榇藘?nèi)存塊不在鏈表頭，所以此時(shí)需要將此內(nèi)存塊整個(gè)回收給進(jìn)程堆，回收后內(nèi)存池的結(jié)構(gòu)如圖6-8所示。圖6-8回收后內(nèi)存池的結(jié)構(gòu)MemoiyPoolMemolyBook一個(gè)內(nèi)存塊在中請(qǐng)后會(huì)初始化，

40、主要是為了建立最初的門由分配單元鏈表，下面是其詳細(xì)代碼：TOC o 1-5 h zMemoryBlock:MemoryBlock(USHORTnTypes,USHORTnUnitSize):nSize(nTypesreinterpret_cast(pData)二i;pDatareinterpret_cast(pData)二i;pData+二nUnitSize;nFirst(1),pNext(0)char*pData=aData;for(USHORTi=1;inTypes;i+)這里可以看到，處pData的初值是aData,即0編號(hào)單元。但是處的循環(huán)中i卻是從1開始，然后在循環(huán)內(nèi)部的處將pDat

41、a的頭兩個(gè)字節(jié)值置為i。即0號(hào)單元的頭兩個(gè)字節(jié)值為1,1號(hào)單元的頭兩個(gè)字節(jié)值為2,真到（nTypes-2）號(hào)單元的頭兩個(gè)字節(jié)值為（nTypes-1）。這意味著內(nèi)存塊初始時(shí)，其門由分配單元鏈表是從0號(hào)開始。依次串聯(lián)，一直到倒數(shù)第2個(gè)單元指向最后一個(gè)單元。還需要注意的是，在其初始化列表中，nFree初始化為nTypes-1（而不是nTypes）,nFirst初始化為1（而不是0）。這是因?yàn)榈?個(gè)單元，即0編號(hào)單元構(gòu)造完畢后,立刻會(huì)被分配。另外注意到最后一個(gè)單元初始并沒有設(shè)置頭兩個(gè)字節(jié)的值，因?yàn)樵搯卧跏荚诒緝?nèi)存塊中并沒有下一個(gè)門由分配單元。但是從上而例子中可以看到，當(dāng)最后一個(gè)單元被分配并回收后，其頭兩個(gè)字節(jié)會(huì)被設(shè)置。圖6-9所示為一個(gè)內(nèi)存塊初始化后的狀態(tài)。圖6-9一個(gè)