深度剖析C++对象池自动回收技术实现

http://www.tuicool.com/articles/mQBfQfN

对象池可以显著提高性能，如果一个对象的创建非常耗时或非常昂贵，频繁去创建的话会非常低效。对象池通过对象复用的方式来避免重复创建对象，它会事先创建一定数量的对象放到池中，当用户需要创建对象的时候，直接从对象池中获取即可，用完对象之后再放回到对象池中，以便复用。这种方式避免了重复创建耗时或耗资源的大对象，大幅提高了程序性能。本文将探讨对象池的技术特性以及源码实现。

对象池类图

• ObjectPool：管理对象实例的pool。
• Client：使用者。

适用性：

• 类的实例可重用。
• 类的实例化过程开销较大。
• 类的实例化的频率较高。

效果：

• 节省了创建类实例的开销。
• 节省了创建类实例的时间。
• 存储空间随着对象的增多而增大。

问题

目前纵观主流语言的实现方式无外乎3个步骤：

1. 初始创建一定数量的对象池（也允许从外面添加对象）。
2. 从对象池中取对象来使用。
3. 用完之后返回对象池。

一般情况下这样是OK的，可能存在的问题是在第三步，有两个问题：

1. 不方便，每次都需要显式回收对象。
2. 忘记将对象放回对象池，造成资源浪费。

改进动机

解决显式回收的问题，实现自动回收，省心省力。改进之后的对象池无须提供release方法，对象会自动回收，改进之后的类图如下。

技术内幕

借助c++11智能指针，因为智能指针可以自定义删除器，在智能指针释放的时候会调用删除器，在删除器中我们将用完的对象重新放回对象池。思路比较简单，但实现的时候需要考虑两个问题：

1. 什么时候定义删除器？
2. 用shared_ptr还是unique_ptr？ 

1. 什么时候定义删除器

自定义删除器只做一件事，就是将对象重新放入对象池。如果对象池初始化的时候就自定义删除器的话，删除器中的逻辑是将对象放回对象池，放回的时候无法再定义一个这样的删除器，所以这种做法行不通。需要注意，回收的对象只能是默认删除器的。除了前述原因之外，另外一个原因是对象池释放的时候需要释放所有的智能指针，释放的时候如果存在自定义删除器将会导致对象无法删除。只有在get的时候定义删除器才行，但是初始创建或加入的智能指针是默认删除器，所以我们需要把智能指针的默认删除器改为自定义删除器。

1.2 用shared_ptr还是unique_ptr

因为我们需要把智能指针的默认删除器改为自定义删除器，用shared_ptr会很不方便，因为你无法直接将shared_ptr的删除器修改为自定义删除器，虽然你可以通过重新创建一个新对象，把原对象拷贝过来的做法来实现，但是这样做效率比较低。而unique_ptr由于是独占语义，提供了一种简便的方法方法可以实现修改删除器，所以用unique_ptr是最适合的。

1.3 实现源码

#pragma once
#include <memory>
#include <vector>
#include <functional>
template <class T>
class SimpleObjectPool
{
public:
  using DeleterType = std::function<void(T*)>;
  void add(std::unique_ptr<T> t)
  {
    pool_.push_back(std::move(t));
  }
  std::unique_ptr<T, DeleterType> get()
  {
    if (pool_.empty())
    {
      throw std::logic_error("no more object");
    }
    //every time add custom deleter for default unique_ptr
    std::unique_ptr<T, DeleterType> ptr(pool_.back().release(), [this](T* t)
    {
      pool_.push_back(std::unique_ptr<T>(t));
    });
    pool_.pop_back();
    return std::move(ptr);
  }
  bool empty() const
  {
    return pool_.empty();
  }
  size_t size() const
  {
    return pool_.size();
  }
private:
  std::vector<std::unique_ptr<T>> pool_;
};
//test code
void test_object_pool()
{
  SimpleObjectPool<A> p;
  p.add(std::unique_ptr<A>(new A()));
  p.add(std::unique_ptr<A>(new A()));
  {
    auto t = p.get();
    p.get();
  }
  {
    p.get();
    p.get();
  }
  std::cout << p.size() << std::endl;
｝

如果你坚持用shared_ptr，那么回收的时候你需要这样写：

std::shared_ptr<T> get()
{
  if (pool_.empty())
  {
    throw std::logic_error("no more object");
  }

  std::shared_ptr<T> ptr = pool_.back();
  auto p = std::shared_ptr<T>(new T(std::move(*ptr.get())), [this](T* t) 
  {
    pool_.push_back(std::shared_ptr<T>(t));
  });

  //std::unique_ptr<T, DeleterType> ptr(pool_.back().release(), [this](T* t)
  //{
  //	pool_.push_back(std::unique_ptr<T>(t));
  //});

  pool_.pop_back();
  return p;
}

这种方式需要每次都创建一个新对象，并且拷贝原来的对象，是一种比较低效的做法。

代码仅仅是为了展示如何实现自动回收对象，没有考虑线程安全、对象池扩容策略等细节，源码链接： object_pool

总结

凡是需要自动回收的场景下都可以使用这种方式：在获取对象的时候将默认删除器改为自定义删除器，确保它可以回收。注意，回收的智能指针使用的是默认删除器，可以确保对象池释放时能正常释放对象。同时也将获取对象和释放对象时，对象的控制权完全分离。 其他的一些应用场景：多例模式，无需手动释放，自动回收。