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boost内存池singleton_pool详解.html
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<title>boost内存池singleton_pool详解 · 楚客
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<header class="page-header span10 offset2">
<h1><a href="https://chukeer.github.io/boost内存池singleton_pool详解.html"> boost内存池singleton_pool详解 </a></h1>
</header>
</div>
<div class="row-fluid">
<div class="span2 table-of-content">
<nav>
<h4>Contents</h4>
<div class="toc">
<ul>
<li><a href="#_1">基本概念</a></li>
<li><a href="#_2">接口定义</a></li>
<li><a href="#_3">数据结构</a><ul>
<li><a href="#block">block的管理</a></li>
<li><a href="#chunk">chunk的管理</a></li>
</ul>
</li>
<li><a href="#_4">分配内存</a></li>
<li><a href="#_5">归还内存</a></li>
<li><a href="#_6">清理内存</a></li>
<li><a href="#_7">总结</a></li>
</ul>
</div>
</nav>
</div>
<div class="span8 article-content">
<h2 id="_1">基本概念<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>内存池可以避免频繁分配释放内存时导致操作系统内存碎片的问题</p>
<p>boost内存池提供了如下对象</p>
<ul>
<li>
<p>singleton_pool</p>
<p>对pool内存池的封装，在其基础上加了锁，避免多线程操作的安全问题，并暴露了常用的接口。</p>
</li>
<li>
<p>pool</p>
<p>真正内存池的实现，管理block链表，并交给simple_segregated_storage分割成固定长度的chunk，每次给用户分配1个或多个chunk，每个chunk都是固定长度的</p>
</li>
<li>
<p>simple_segregated_storage</p>
<p>将block分割成chunk并组成链表进行管理</p>
</li>
</ul>
<p>通常我们使用的都是singleton_pool对象</p>
<h2 id="_2">接口定义<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>这里只列出常用接口</p>
<div class="highlight"><pre><span></span>template <typename Tag,
unsigned RequestedSize,
typename UserAllocator,
typename Mutex,
unsigned NextSize,
unsigned MaxSize >
class singleton_pool
{
public:
static void * malloc();
static void * ordered_malloc();
static void * ordered_malloc(const size_type n);
static bool is_from(void * const ptr);
static void free(void * const ptr);
static void ordered_free(void * const ptr);
static void free(void * const ptr, const size_type n);
static void ordered_free(void * const ptr, const size_type n);
static bool release_memory();
static bool purge_memory();
};
</pre></div>
<p>先看几个模板参数的含义</p>
<ul>
<li><code>Tag</code>: 一般定义为一个struct类型，用来唯一标识内存池对象</li>
<li><code>RequestSize</code>: 每次向内存池请求的内存大小</li>
<li><code>UserAllocator</code>: 用户自定义的内存分配器，向操作系统申请释放内存时使用，默认为boost::default_user_allocator_new_delete</li>
<li><code>Mutex</code>: 互斥锁，默认为boost::details::pool::default_mutex</li>
<li><code>NextSize</code>: 内存池向操作系统第一次申请内存的chunk数量，默认为32</li>
<li><code>MaxSize</code>: 内存池向操作系统申请一次内存的最大chunk数量，默认为0，代表无上限</li>
</ul>
<p>使用方法如下</p>
<div class="highlight"><pre><span></span><span class="nt">struct</span> <span class="nt">MyPoolTag</span>
<span class="p">{</span>
<span class="p">}</span><span class="o">;</span>
<span class="nt">typedef</span> <span class="nt">boost</span><span class="o">:</span><span class="nd">:singleton_pool</span><span class="o"><</span><span class="nt">MyPoolTag</span><span class="o">,</span> <span class="nt">1024</span><span class="o">></span> <span class="nt">my_pool</span><span class="o">;</span>
<span class="nt">int</span> <span class="nt">main</span><span class="o">()</span>
<span class="p">{</span>
<span class="n">char</span> <span class="o">*</span> <span class="n">p</span> <span class="o">=</span> <span class="p">(</span><span class="n">char</span><span class="o">*</span><span class="p">)</span><span class="n">my_pool</span><span class="o">::</span><span class="n">malloc</span><span class="p">();</span> <span class="o">//</span> <span class="err">分配内存大小为</span><span class="m">1024</span><span class="n">byte</span>
<span class="n">my_pool</span><span class="o">::</span><span class="n">free</span><span class="p">(</span><span class="n">p</span><span class="p">);</span>
<span class="n">return</span> <span class="m">0</span><span class="p">;</span>
<span class="p">}</span>
</pre></div>
<p>malloc和free用来向内存池分配和归还内存，ordered_*代表顺序内存的操作，release_memory可以释放ordered内存池里的空闲block，purge_memory强制释放内存池所有block，具体行为后续分析</p>
<h2 id="_3">数据结构<a class="headerlink" href="#_3" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>内存池里有两个关键对象，分别为block和chunk</p>
<h3 id="block">block的管理<a class="headerlink" href="#block" title="Permanent link">¶</a></h3>
<p>block为一大块连续的内存，chunk是由block分隔的等长内存块，其结构如下</p>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/pool1.png"/></p>
<p>block由pool对象进行管理，组成链表，next_ptr指向下个block，next_size为下个block的大小。对于非ordered内存池，每次申请的block放入链表头，如果是ordered内存池，则需要将block插入合适的位置，保持block起始地址的顺序</p>
<p>假设RequestSize为1K，NextSize为默认值32， MaxSize为默认值0，那么第一次向内存池请求内存时，由于没有可用的block，内存池会向操作系统申请第一个block，包含32个chunk，当第一个block用完之后，下一次申请的block会包含64个chunk（为前一次的2倍），依次内推，如果指定的MaxSize大于0，则一次申请的block最多包含MaxSize个chunk</p>
<h3 id="chunk">chunk的管理<a class="headerlink" href="#chunk" title="Permanent link">¶</a></h3>
<p>每个block都交由simple_segregated_storage分割成chunk并进行管理，chunk也组成链表</p>
<p>block分割之后结构如下</p>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/pool2.png"/></p>
<p>first指向第一个可用的chunk，每个chunk指向相邻的chunk。多个block之间的chunk也会组成链表（真实场景中chunk可能并不是有序的）</p>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/pool3.png"/></p>
<p>在初始化的时候，block中的chunk指向其物理地址相邻的且起始地址比它大的chunk，最后一个chunk指向NULL或下一个block的第一个chunk</p>
<h2 id="_4">分配内存<a class="headerlink" href="#_4" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>分配内存接口如下</p>
<div class="highlight"><pre><span></span>static void * malloc();
static void * ordered_malloc();
static void * ordered_malloc(const size_type n);
</pre></div>
<p>malloc会返回第一个可用的chunk给用户，复杂度为O(1)，ordered_malloc还会保持block和chunk的顺序，复杂度为O(N)，只有在分配连续n个chunk时比较适用，其它时候不推荐使用ordered内存池</p>
<p>假设NextSize为2，当我们调用4次malloc，分别分配buf1, buf2, buf3, buf4, 其过程如下</p>
<ul>
<li>分配buf1，没有可用block，内存池向操作系统申请block，包含2个chunk，并返回第一个chunk给用户</li>
</ul>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/malloc1.png"/></p>
<ul>
<li>分配buf2，有可用的block，直接返回first指向的chunk给用户，同时first指向NULL</li>
</ul>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/malloc2.png"/></p>
<ul>
<li>分配buf3，没有可用的block，内存池向操作系统申请新的block，包含4个chunk，并返回第一个chunk给用户，新的block插入block链表的头部</li>
</ul>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/malloc3.png"/></p>
<ul>
<li>分配buf4，有可用的block，直接返回first指向的chunk给用户</li>
</ul>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/malloc4.png"/></p>
<p>对于ordered_malloc，其区别在于向操作系统申请新的block之后，会将block插入合适的位置，以保持block地址的顺序性</p>
<h2 id="_5">归还内存<a class="headerlink" href="#_5" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>归还内存接口如下</p>
<div class="highlight"><pre><span></span>static void ordered_free(void * const ptr);
static void free(void * const ptr, const size_type n);
static void ordered_free(void * const ptr, const size_type n);
</pre></div>
<p>free会将归还的chunk直接指向first，将first指向归还的chunk，复杂度为O(1)，ordered_free在归还chunk时会保持其最初在链表中的顺序，复杂度为O(N)，ordered_free可以返回连续chunk</p>
<p>在前面例子的基础上，我们按以下顺序分别释放buf，对比free和ordered_free操作的内存结构变化(为了简化，某些步骤会省略掉NULL指针以及next_ptr的指向关系)</p>
<table>
<thead>
<tr>
<th align="left">操作步骤</th>
<th>free</th>
<th align="right">ordered_free</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left">分配之后的结构</td>
<td><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free0.png"/></td>
<td align="right"><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free0.png"/></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">释放buf1</td>
<td><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free1.png"/></td>
<td align="right"><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/ordered_free1.png"/></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">释放buf2</td>
<td><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free2.png"/></td>
<td align="right"><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/ordered_free2.png"/></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">释放buf3</td>
<td><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free3.png"/></td>
<td align="right"><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/ordered_free3.png"/></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">释放buf4</td>
<td><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/free4.png"/></td>
<td align="right"><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/ordered_free4.png"/></td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>调用free之后，chunk的指向关系和chunk最初在block中被分割的顺序完全不一致，但每次释放只需在chunk链表的头部操作，因此效率非常高</p>
<p>而调用ordered_free后，所有chunk仍旧保持了最初分割时候的顺序，但是在释放每个chunk时，都需要从first开始查找，找到一个合适的位置进进行插入</p>
<h2 id="_6">清理内存<a class="headerlink" href="#_6" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>清理内存有如下连个接口</p>
<div class="highlight"><pre><span></span>static bool release_memory();
static bool purge_memory();
</pre></div>
<p>purge_memory会将所有block无条件释放，即便有些chunk已经分配出去，因此要慎用。release_memory只对ordered内存池有效，会释放没有分配chunk的block，假设现在内存结构如下</p>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/ordered_free3.png"/></p>
<p>block1的两个chunk都还没被分配出去，block2有一个chunk已分配出去，并且内存池为ordered结构，此时调用release_memory后，block1会被归还给操作系统，内存结构如下</p>
<p><img alt="" src="http://littlewhite.us/pic/release_memory.png"/></p>
<h2 id="_7">总结<a class="headerlink" href="#_7" title="Permanent link">¶</a></h2>
<p>boost内存池提供了丰富的接口，malloc和free都非常高效，但是由于是非ordered，无法手动回收内存，如果服务内存突增之后又降下来，内存池会一直占用峰值达到的内存</p>
<p>ordered内存池虽然支持内存回收，但分配效率不高，不推荐使用</p>
<hr/>
<aside>
<nav>
<ul class="articles-timeline">
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</ul>
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<!-- <time pubdate="pubdate" datetime="2017-11-16T00:00:00+08:00">11 16, 2017</time> -->
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<td>Published</td>
<td><time pubdate="pubdate" datetime="2017-11-16T00:00:00+08:00">2017-11-16</time></td>
</tr>
<tr>
<td>Category</td>
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</tr>
<tr>
<td>Tags</td>
<td>
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<li><a href="https://chukeer.github.io/tags.html#boost-ref">boost
<span>2</span>
</a></li>
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<span>15</span>
</a></li>
</ul>
</td>
</tr>
</table>
</div>
</section>
</div>
</article>
</div>
<div class="span1"></div>
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