C/C++内存池管理机制

GNU C内存池管理机制

在不同编译器中，malloc/free内存管理的实现方式有所区别，但都是使用的内存池机制进行管理。本小节介绍在GNU C中的内存池管理，通过阅读可以学习到以下内容：

下面详细介绍。

1.为什么使用内存池管理内存

我们经常使用下面的语句进行malloc的内存分配：

data_t* ptr = (data_t*)malloc(sizeof(data_t));

但是，对于计算机而言，我们使用的内存空间真的就只有 sizeof(data_t) 字节吗？

显然不是的。在调用malloc内存分配器时，为了程序调试与内存回收，标准库会在分配的内存块上下加上cookie信息，其中包括了大小为1byte的上下内存屏障gap、调用的文件名称、用户申请的空间大小等等。

这些信息的大小是一个常量，也就是说，每调用一次malloc，标准库将在其申请空间上追加cookie内存空间。这就造成了内存空间的浪费，申请的空间越小，浪费的空间占比越大。

因此，标准库使用内存池进行内存管理。一次性分配一大片内存，并交由内存池管理器进行管理；而用户进行空间申请时，标准库只需要在内存池中分配出相应大小的内存即可，不需要额外添加cookie信息。这极大的提高了内存的有效使用率。

那么，标准库如何设计内存池呢？

2.内存池的底层结构设计

内存池底层使用的16个内存块链表头进行管理，如下图所示。

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其中，内存以8字节对齐，对应标号#0_{#16管理的内存为8}128 byte，例如#3管理的内存块大小为4*8 byte = 32 byte。

同时，每个链表中的每个结点均使用union进行设计，如下所示。

union obj{
    union obj* free_list_link;
    char data[1];   // 作为指针使用，这样设计可以自动初始化，防止core dump
};

使用union设计的好处：

1. 当分配内存时，直接将data指向相应的内存，写入数据即可，此时free_list_link就被覆盖，不需要相应的后继指向；

2. 当回收内存时，直接将free_list_link指向相应的后继指针，而无须管理data中的数据；

这样减少了额外的指针空间，提高了内存空间的使用率。

3.内存池如何管理内存

下面使用例子进行介绍。最开始，内存池内存空间只有free_list[16]链表头，而没有实际内存空间。

1.假设用户申请空间16 byte时，系统将申请一大片空间，其大小为：
$$size=40\ast 16+round\_up(byte);$$
其中round up为上一次申请空间累计大小右移4位得到，如总空间为1280 byte，则
$$round\_up=1280>>4;$$
为何为40*16呢？ 为了防止用户重复申请相同大小空间，出现冗余操作；系统每次会将申请的空间分为 20 个用户申请的空间 16byte，然后将后面的内存空间用于下次操作。最后，将第一个 16 byte内存空间返回给用户，并将内存块交给#2号链表头管理，如下图所示。

2.接着，用户申请空间16byte时，系统会在内存池里面查找有没有多余的内存空间。若有，直接返回；否则，进行申请返回。此时，内存池中存在，则进行下面操作。

3.若用户申请空间8byte空间时，此时内存池空间存在内存空间，但是不存在划分为8byte的小内存块，则进行下面操作。

4.当用户申请空间不是8的整数倍，则系统会向上对齐进行分配空间，如用户申请空间为1byte，则系统将进行下面操作。

5.当用户释放空间时，内存空间将会放回内存池，如下所示。

6.当用户申请64字节空间时，在未切割的内存块中进行切割，并返回。

注意：

1.内存池申请空间有一定的限制，系统分配总量不能超过该限制，否则会出现分配空间异常。

2.当申请的空间大于128byte时，系统不再使用该内存池进行管理，而是直接使用malloc进行分配空间。

本文仅供学习使用，参考侯捷老师的内存管理。若存在问题，欢迎大家指正。