简单内存池的实现

在实际项目中，很多地方都存在IO。

而IO是很耗时间的，比方说：new、malloc。

对于现代的计算机来说，动辄就是GHz量级的主频，似乎感觉不到影响。但是在大型的项目里面，反复的new和delete，不仅会耗大量的时间，还会造成内存碎片。

new是一个很麻烦的东西。

有new的地方，就是你可能栽坑的地方。

new出的内存，没有被正确释放掉，会造成内存泄漏。微不足道的内存泄漏，在经过长时间积累，也会让你的程序崩溃。

学会内存管理，是C++程序员必须具备的能力。

接下来，我在这里实现一个简单的内存池。

这个内存池并不能与STL的内存池媲美。STL的内存池的实现更复杂，当然，它完成的功能也更强大。但是其实质是相同的。这个简单的内存池会使用到模版。

需要的知识点：

1. 1. C++基本语法：reinterpret_cast<expr>（para）
   2. 数据结构：链表
   3. C++泛型编程：模板
   4. 操作系统：临界区、锁
   5. placement new (这个需要自己去看 C++ Primer)

好了，现在开始：

• 实践基础要点之一：reinterpret_cast<expr>（para）

    看reinterpret_cast<expr>(para)的字面意思：重新解释。好深奥的词，怎么解释？《C++ Primer》一书中，对此的解释也甚少。

我之前也是不懂的，但是后来看多了，有点感觉。我的理解是：用新的expr结构，重新解释。

在下面的代码中，我们将看到 

pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead))

事实上，pHead 是T* 类型的。用reinterpret_cast把T* 结构的pHead，强制转换成T**结构，然后对T**结构进行*操作符。怎么样，很暴力吧。之后结合代码再解释。

• 实践基础要点之二：数据结构：链表

    对于所有的程序员来说，熟悉基本的数据结构必须是必备的技能。常听大牛们讲：基础决定了你能爬多高。想想也是，万丈高楼平地起嘛。我大二学习数据结构的时候，完全不知道老师在讲台上一个人唾沫横飞有什么意思，完全听不懂他在讲什么。到了考试临近的时候，拼命啃书，慢慢才对数据结构讲的是什么有些眉目。好了，回到正题。

所谓链表，就是有一个头结点H，该节点指向它的下一个节点NodeA，而NodeA又指向自己的下一个节点NodeB……一直到最后的节点指向NULL。这样，就连成了串，俗称链表。

举例说吧：

typedef struct Node
{
    int _content;
    Node* next;
}
 
Node* pHead; // define a head of a LinkList
Node* pNode; // define another node
pHead->next = pNode; // the head point to another node.

上面的代码只是简单的示例，省略了初始化部分，实际操作时候切不可这样写。

• 实践基础要点之三：C++泛型编程：模板

    以模板的基础的应用的典型例子就是STL了，因为如此，我们才能方便的使用vector、list、map等容器。STL已经成为了C++重要的库之一了，在工程上运用得很多。这种无视类型的定义，增强了代码可复用性。在网络编程中，模版的作用必不可少噢。

模板在《C++ Primer》一书中，做了非常详细的讲解。模板函数，模板类。不了解的请仔细阅读该书的泛型编程部分。

• 实践基础要点之四：操作系统：临界区、锁

    现代计算机的硬件已经很牛逼了，多核，多线程。为了充分发挥处理器的作用，在实际工程中，多线程技术已经相当成熟。但是，在多线程操作的时候，线程A对某共享数据进行写操作，而同时线程B也要多相同的共享数据进行写操作，如果没有控制好，共享数据就成了脏数据。这时候该怎么办。解决办法很多种，锁，互斥变量，信号量，临界区。在Windows下，系统提供了一套api，来处理这些。我们需要用到

InitializeCriticalSection(CRITICAL_SECTION*);　　　// 初始化临界区
DeleteCriticalSection(CRITICAL_SECTION*);　　　　　 // 释放临界区
EnterCriticalSection(CRITICAL_SECTION*);　　　　　　// 进入临界区
LeaveCriticalSection(CRITICAL_SECTION*);　　　　　　// 离开临界区

其中： CRITICAL_SECTION是Windows所定义的临界区结构。我们不用去深究，只要明白它的作用就OK。

整个处理共享区域的流程，应该像这样：

共享数据Data在初始化时候，就声明并初始化一个临界区结构，在线程A对共享数据Data操作时候，让Data进入临界区域，然后操作。这样，线程B就无法对Data进行写操作了。操作完成，让Data离开临界区域。线程B这个时候才可以对Data进行写操作。在Data析构的时候，释放临界区域。

介绍完这些知识点，下面是应该上代码的时候了。在命名上，我们把临界区取个别名：锁。

• 定义临界区(因为要使用到Windows的API函数，记得包含Windows.h)

class CBaseLock
{
public:
    CBaseLock()
    {
        InitializeCriticalSection(&m_sect);
    }

    ~CBaseLock()
    {
        DeleteCriticalSection(&m_sect);
    }

    void Lock()
    {
        EnterCriticalSection(&m_sect);
    }

    void Unlock()
    {
        LeaveCriticalSection(&m_sect);
    }

private:
    CRITICAL_SECTION m_sect;
};

• 定义锁

template<class T>
class CLockImpl
{
public:
    CLockImpl(T* l) : m_lock(l)
    {
        m_lock->Lock();
    }

    ~CLockImpl()
    {
        m_lock->Unlock();
    }

private:
    T* m_lock;
};

• 定义内存池

template<class T, class LockT = CBaseLock>
class MyPool
{
public:
    MyPool()
    {

        AllocatedCount = 0;

        ElemSize = sizeof(T) > sizeof(T*) ? sizeof(T) : sizeof(T*);

        pHead = NULL;
    }

    ~MyPool()
    {
        while(pHead)
        {
            T* ret = pHead;
            pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead));
            ::free(ret);
        }
    }

    int GetCount()const
    {
        return numAllocated;
    }

    T *alloc()
    {
        CLockImpl<LockMode> lock(&m_lock);

        numAllocated++;

        if(pHead == NULL)
            return new(malloc(ElemSize))T;

        T* ret = freeListHead;
        pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead));

        return new(ret)T;
    }

    template<class T1>
    T *alloc(const T1& p)
    {
        CLockImpl<LockMode> lock(&m_lock);

        numAllocated++;

        if(pHead == NULL)
            return new(malloc(ElemSize))T(p);

        T* ret = pHead;
        pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead));

        return new(ret)T(p);
    }

    template<class T1, class T2>

    template<class T1, class T2, class T3>

    ……//这些情况我就不写了
    void dealloc(T* elem)
    {
        elem->~T();

        if(true)
        {
            CLockImpl<LockMode> lock(&m_lock);
            memset(elem, 0xfe, elementSize);
            --AllocatedCount;
            *(reinterpret_cast<T**>(elem)) = pHead;
            pHead = elem;
        }
    }

private:
    int AllocatedCount; // 已经分配的内存节点个数 
    size_t ElemSize;  // 内存节点的大小
    T* pHead; // 空闲内存的链表表头 
    LockMode m_lock;
}

以上代码，基本完成了一个简单的内存池。

下面，对内存池中的一些重点语句进行解释。

• 构造函数

内存池初始化出来，是什么都没有的。因此，指向空闲内存区域的指针应指向NULL。而已分配的内存节点个数，当然必须是0。最最富有深意的，就应该是这句：

ElemSize = sizeof(T) > sizeof(T*) ? sizeof(T) : sizeof(T*);

　　　　其含义是，ElemSize的大小，应该是木板参数T与T*二者中较大的一个。（为什么要这么设计？往下看。）

• public 接口 alloc()

对于内存池中的元素对象，若需要多个参数来初始化，就需要传入多个参数。这样，alloc()接口显然要满足多种情况，就需要把alloc()定义为模板函数，提供对应构造形参。而形参在内存池中，用模板参数指定，这样，调用alloc()，传入实参，就可以初始化元素，并为之分配内存了。

• 仔细看alloc()的实现，发现pHead指向空的时候，需要new一个ElemSize大小的空间。而pHead不为空的时候，就把pHead指向的空间返回。

pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead));

　　　　pHead指向T*类型，然后把pHead用reinterpret_cast<T**>重新解释，这个时候，pHead指向的地址的空间（逻辑）结构就改变了。假设pHead指向ElemA类型，　　　　　　　sizeof(ElemA) = 5，用reinterpret_cast<ElemA**>重新解释，pHead指向就是指向指针的指针了。然后*reinterpret_cast<ElemA**>就是向重新解释的地址区域取　　　　　值（取的是什么？继续往下看）。

• 析构

  析构的时候，有这么一句：

  *(reinterpret_cast<T**>(elem)) = pHead;

• 按照之前的解释，是把elem的地址用T**重新解释，然后取值，把pHead指向的地址放到该处。而pHead指向的地址，一定是比T和T*中，较大的一个的。32位操作系统下，T*是4字节，这说明pHead指向的地址，至少是4字节，至少足够容纳一个T**的类型。也就是说，我把elem这块内存的内容删除了，然后把这块地址分成若干4字节（32位系统下）的连续块，把pHead指向的第一个空闲地址块的地址放倒这块抵制块的第一个4字节中保存，然后pHead = elem; pHead指向elem的地址，则第一个空闲地址快就是刚刚释放了的elem的地址，elem地址中的第一个4字节保存了下一个空闲地址块的地址……如此链成链表。

• 然后又回到alloc上，alloc先检查有没有空闲地址，即pHead是否指向NULL，如果指向NULL，则new一块ElemSize大小的内存，在该内存中，用placement new技术，在申请的内存中，构造需要的元素对象。若pHead不指向NULL，则说明已经有申请好的内存（可能是某个对象析构之后，留下来，没有返还给系统的），取到pHead指向的第一块空闲内存块的地址，然后然pHead指向这块空闲地址质指向的空闲地址块（即 pHead = *(reinterpret_cast<T**>(pHead));这句的含义），然后构造元素对象。这样减少了想系统new的次数，节省了系统寻找合适大小内存块的时间，提高了效率。

加锁的原因，是因为防止多个线程，同时对某一对象内存池进行操作。

这样把简单的内存池解释了一遍。内存池的运行机制，大致是这样的。有些内存池会比这个内存池复杂得多。但是，理解了其中分配的要点，什么内存池都能玩得游刃有余。

• 总结：

    内存池的存在，减少了系统IO次数，缩减了系统查找合适大小内存块的时间。提高了程序的运行效率，并有效减少了内存碎片的产生。

=====>THE END<=====