STL源码分析之内存池

前言

上一节只分析了第二级配置器是由多个链表来存放相同内存大小, 当没有空间的时候就向内存池索取就行了, 却没有具体分析内存池是怎么保存空间的, 是不是内存池真的有用不完的内存, 本节我们就具体来分析一下

内存池

static data template的初始化

template <bool threads, int inst>
char *__default_alloc_template<threads, inst>::start_free = 0;	// 内存池的首地址
template <bool threads, int inst>
char *__default_alloc_template<threads, inst>::end_free = 0;	// 内存池的结束地址
template <bool threads, int inst>
size_t __default_alloc_template<threads, inst>::heap_size = 0;	// 多次调用内存池, 就会更多的是给链表分配内存, 这就是一个增量.

这里代码注释写的很清楚了, 我就提取出来分析一下吧

1. 内存池的大小大于需要的空间, 直接返回起始地址(nobjs默认设置为20, 所以每次调用都会给链表额外的19个内存块)
2. 内存池的内存不足以马上分配那么多内存, 但是还能满足分配一个即以上的大小, 那就全部分配出去
3. 如果一个对象的大小都已经提供不了了, 先将零碎的内存块给一个小内存的链表来保存, 然后就准备调用malloc申请40块+额外大小的内存块(额外内存块就由heap_size决定), 如果申请失败跳转到步骤4, 成功跳转到步骤6
4. 充分利用更大内存的链表, 通过递归来调用他们的内存块
5. 如果还是没有内存块, 直接调用一级配置器来申请内存, 还是失败就抛出异常, 成功申请就继续执行
6. 重新修改内存起始地址和结束地址为当前申请的地址块, 重新调用chunk_alloc分配内存

// 内存池
template <bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template<threads, inst>::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs)
{
  	char * result;
  	size_t total_bytes = size * nobjs;            // 链表需要申请的内存大小
  	size_t bytes_left = end_free - start_free;    // 内存池里面总共还有多少内存空间

	  // 内存池的大小大于需要的空间, 直接返回起始地址
  	if (bytes_left >= total_bytes) 
  	{
	    result = start_free;
    	start_free += total_bytes;  // 内存池的首地址往后移
	    return(result);
  	}
  	// 内存池的内存不足以马上分配那么多内存, 但是还能满足分配一个即以上的大小, 那就按对齐方式全部分配出去
  	else if (bytes_left >= size) 
  	{
	    nobjs = bytes_left/size;
    	total_bytes = size * nobjs;
    	result = start_free;
    	start_free += total_bytes;  // 内存池的首地址往后移
    	return(result);
  	} 
  	else 
  	{ 
	    // 如果一个对象的大小都已经提供不了了, 那就准备调用malloc申请两倍+额外大小的内存
	    size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);
    	// Try to make use of the left-over piece.
    	// 内存池还剩下的零头内存分给给其他能利用的链表, 也就是绝不浪费一点.
    	if (bytes_left > 0) 
    	{
      		// 链表指向申请内存的地址
      		obj * __VOLATILE * my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
      		((obj *)start_free) -> free_list_link = *my_free_list;
      		*my_free_list = (obj *)start_free;
    	}
    	start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);
    	// 内存不足了
    	if (0 == start_free) 
    	{
      		int i;
      		obj * __VOLATILE * my_free_list, *p;
      		// 充分利用剩余链表的内存, 通过递归来申请
      		for (i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN) 
      		{	
	        	my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
	        	p = *my_free_list;
	        	if (0 != p) 
	            {
	          		*my_free_list = p -> free_list_link;
          			start_free = (char *)p;
	          		end_free = start_free + i;
          			return(chunk_alloc(size, nobjs));
    	    	}
      		}
      		// 如果一点内存都没有了的话, 就只有调用一级配置器来申请内存了, 并且用户没有设置处理例程就抛出异常
      		end_free = 0;	// In case of exception.
      		start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
	    }
	    	// 申请内存成功后重新修改内存起始地址和结束地址, 重新调用chunk_alloc分配内存
	    	heap_size += bytes_to_get;
	    	end_free = start_free + bytes_to_get;
    		return(chunk_alloc(size, nobjs));
  	}	
}

chunk_alloc函数的第34行FREELIST_INDEX的实现, 他将传入的bytes执行+7除8操作, 实现将byte调为大于byte最近8的整数.

    static  size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
      return (((bytes) + __ALIGN-1)/__ALIGN - 1);
    }

这种方法很像c程序字节的对齐, 就像下面这样, 从而实现字节的对齐

#define MASK 0xffffffff
static  size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
      return (((bytes) + __ALIGN-1)/MASK);
    }

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总结

内存池的存在就是为了能快速的提供我们做需要的内存并且保存多余的空间, 让STL分配空间不再每次都进行malloc和free的操作, 效率又很有保障. 有时用户申请的块更小, 我们也能充分的利用起来. 唯一可能不足的是我们每次只申请char个大小, 但是内存池获得的确是8字节的大小. 感谢@Hall_Wood指出8字节对齐计算的问题.