【源码剖析】MemoryPool —— 简单高效的内存池 allocator 实现

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原创最新推荐文章于 2026-08-24 11:02:49 发布 1.1k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

内存池（Memory Pool） 内存池预先从操作系统申请一大块连续内存空间，并将其管理起来，当程序需要分配内存时，不再直接向操作系统请求，而是从内存池中快速分配一小块事先准备好的内存单元。当不再需要这些内存时，也不是直接归还给操作系统，而是归还给内存池，由内存池统一管理，适时或在程序结束时再归还给操作系统。内存池（Memory Pool）是一种内存管理技术，主要用于优化程序中动态内存分配和释放的效率，减少内存碎片，提高程序运行速度。: 释放内存时，不是直接还给系统，而是归还给内存池，可能需要进行合并相邻空闲块的操作以减少碎片。阅读详情

什么是内存池？什么是 C++ 的 allocator？

内存池简单说，是为了减少频繁使用 malloc/free new/delete 等系统调用而造成的性能损耗而设计的。当我们的程序需要频繁地申请和释放内存时，频繁地使用内存管理的系统调用可能会造成性能的瓶颈，嗯，是可能，毕竟操作系统的设计也不是盖的（麻麻说把话说太满会被打脸的(⊙v⊙)）。内存池的思想是申请较大的一块内存（不够时继续申请），之后把内存管理放在应用层执行，减少系统调用的开销。

那么，allocator 呢？它默默的工作在 C++ 所有容器的内存分配上。默默贴几个链接吧：

http://www.cnblogs.com/wpcockroach/archive/2012/05/10/2493564.html

http://blog.youkuaiyun.com/justaipanda/article/details/7790355

http://www.cplusplus.com/reference/memory/allocator/

http://www.cplusplus.com/reference/memory/allocator_traits/

当你对 allocator 有基本的了解之后，再看这个项目应该会有恍然大悟的感觉，因为这个内存池是以一个 allocator 的标准来实现的。一开始不明白项目里很多函数的定义是为了什么，结果初步了解了 allocator 后才知道大部分是标准接口。这样一个 memory pool allocator 可以与大多数 STL 容器兼容，也可以应用于你自定义的类。像作者给出的例子 —— test.cpp，是用一个基于自己写的 stack 来做 memory pool allocator 和 std::allocator 性能的对比 —— 最后当然是 memory pool allocator 更优。

项目：

Github：https://github.com/yangtingcheng/projectwithcomment/tree/master/memorypool

基本使用：

因为这是一个 allocator 类，所以所有使用 std::allocator 的地方都可以使用这个 MemoryPool。在项目的 test.cpp 中，MemoryPool 作为 allocator 用于 StackAlloc（作者实现的 demo 类）的内存管理类。定义如下：

StackAlloc<int, MemoryPool<int> > stackPool;

其次，你也可以将其直接作为任一类型的内存池，用 newElement 创建新元素，deleteElement 释放元素，就像 new/delete 一样。用下面的例子和 new/delete 做对比：

    #include <iostream>  
    #include <cassert>  
    #include <time.h>  
    #include <vector>  
    #include <stack>  
      
    #include "MemoryPool.h"  
      
    using namespace std;  
      
    /* Adjust these values depending on how much you trust your computer */  
    #define ELEMS 1000000  
    #define REPS 50  
      
    int main()  
    {  
      
        clock_t start;  
      
        MemoryPool<size_t> pool;  
        start = clock();  
        for(int i = 0;i < REPS;++i)  
        {  
            for(int j = 0;j< ELEMS;++j)  
            {  
                // 创建元素  
                size_t* x = pool.newElement();  
      
                // 释放元素  
                pool.deleteElement(x);  
            }  
        }  
        std::cout << "MemoryPool Time: ";  
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";  
      
      
        start = clock();  
        for(int i = 0;i < REPS;++i)  
        {  
            for(int j = 0;j< ELEMS;++j)  
            {  
                size_t* x = new size_t;  
      
                delete x;  
            }  
        }  
        std::cout << "new/delete Time: ";  
        std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";  
      
        return 0;  
      
    }

运行的结果是：

MemoryPool Time: 1.93389

new/delete Time: 4.64903
嗯，内存池快了一倍多。如果是自定义的类的话这个差距应该还会更大一点。

代码分析：

项目的实现有 C++11 和 C++98 两个版本，C++11 版本似乎更加高效，不过个人 C++11 了解不多，就以 C++98 版本来分析吧。

主要函数：

allocate 分配一个对象所需的内存空间

deallocate 释放一个对象的内存（归还给内存池，不是给操作系统）

construct 在已申请的内存空间上构造对象

destroy 析构对象

newElement 从内存池申请一个对象所需空间，并调用对象的构造函数

deleteElement 析构对象，将内存空间归还给内存池

allocateBlock 从操作系统申请一整块内存放入内存池

关键知识点：

理解项目的关键在于理解 placement new 和 union 的用法.

placement new: http://blog.youkuaiyun.com/zhangxinrun/article/details/5940019

union：http://www.cnblogs.com/BeyondTechnology/archive/2010/09/19/1831293.html

关于 union 的使用觉得好巧妙，这是相应的定义：

    union Slot_ {  
      value_type element;  
      Slot_* next;  
    };

Slot_ 在创建对象的时候存放对象的值，当这个对象被释放时这块内存作为一个 Slot_* 指针放入 free 的链表。所以 Slot_ 既可以用来存放对象，又可以用来构造链表。

工作原理：

内存池是一个一个的 block 以链表的形式连接起来，每一个 block 是一块大的内存，当内存池的内存不足的时候，就会向操作系统申请新的 block 加入链表。还有一个 freeSlots_ 的链表，链表里面的每一项都是对象被释放后归还给内存池的空间，内存池刚创建时 freeSlots_ 是空的，之后随着用户创建对象，再将对象释放掉，这时候要把内存归还给内存池，怎么归还呢？就是把指向这个对象的内存的指针加到 freeSlots_ 链表的前面（前插）。

用户在创建对象的时候，先检查 freeSlots_ 是否为空，不为空的时候直接取出一项作为分配出的空间。否则就在当前 block 内取出一个 Slot_ 大小的内存分配出去，如果 block 里面的内存已经使用完了呢？就向操作系统申请一个新的 block。

内存池工作期间的内存只会增长，不释放给操作系统。直到内存池销毁的时候，才把所有的 block delete 掉。

头文件：

    /*- 
     * Copyright (c) 2013 Cosku Acay, http://www.coskuacay.com 
     * 
     * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a 
     * copy of this software and associated documentation files (the "Software"), 
     * to deal in the Software without restriction, including without limitation 
     * the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, 
     * and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the 
     * Software is furnished to do so, subject to the following conditions: 
     * 
     * The above copyright notice and this permission notice shall be included in 
     * all copies or substantial portions of the Software. 
     * 
     * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR 
     * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, 
     * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE 
     * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER 
     * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING 
     * FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS 
     * IN THE SOFTWARE. 
     */  
      
    #ifndef MEMORY_POOL_H  
    #define MEMORY_POOL_H  
      
    #include <limits.h>  
    #include <stddef.h>  
      
    template <typename T, size_t BlockSize = 4096>  
    class MemoryPool  
    {  
      public:  
        /* Member types */  
        typedef T               value_type;       // T 的 value 类型  
        typedef T*              pointer;          // T 的 指针类型  
        typedef T&              reference;        // T 的引用类型  
        typedef const T*        const_pointer;    // T 的 const 指针类型  
        typedef const T&        const_reference;  // T 的 const 引用类型  
        typedef size_t          size_type;        // size_t 类型  
        typedef ptrdiff_t       difference_type;  // 指针减法结果类型  
      
        template <typename U> struct rebind {  
          typedef MemoryPool<U> other;  
        };  
      
        /* Member functions */  
        /* 构造函数 */  
        MemoryPool() throw();  
        MemoryPool(const MemoryPool& memoryPool) throw();  
        template <class U> MemoryPool(const MemoryPool<U>& memoryPool) throw();  
      
        /* 析构函数 */  
        ~MemoryPool() throw();  
      
        /* 元素取址 */  
        pointer address(reference x) const throw();  
        const_pointer address(const_reference x) const throw();  
      
        // Can only allocate one object at a time. n and hint are ignored  
        // 分配和收回一个元素的内存空间  
        pointer allocate(size_type n = 1, const_pointer hint = 0);  
        void deallocate(pointer p, size_type n = 1);  
      
        // 可达到的最多元素数  
        size_type max_size() const throw();  
      
        // 基于内存池的元素构造和析构  
        void construct(pointer p, const_reference val);  
        void destroy(pointer p);  
      
        // 自带申请内存和释放内存的构造和析构  
        pointer newElement(const_reference val);  
        void deleteElement(pointer p);  
      
      private:  
        // union 结构体,用于存放元素或 next 指针  
        union Slot_ {  
          value_type element;  
          Slot_* next;  
        };  
      
        typedef char* data_pointer_;  // char* 指针，主要用于指向内存首地址  
        typedef Slot_ slot_type_;     // Slot_ 值类型  
        typedef Slot_* slot_pointer_; // Slot_* 指针类型  
      
        slot_pointer_ currentBlock_;  // 内存块链表的头指针  
        slot_pointer_ currentSlot_;   // 元素链表的头指针  
        slot_pointer_ lastSlot_;      // 可存放元素的最后指针  
        slot_pointer_ freeSlots_;     // 元素构造后释放掉的内存链表头指针  
      
        size_type padPointer(data_pointer_ p, size_type align) const throw();  // 计算对齐所需空间  
        void allocateBlock();  // 申请内存块放进内存池  
       /* 
        static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small."); 
        */  
    };  
      
    #include "MemoryPool.tcc"  
      
    #endif // MEMORY_POOL_H

实现文件：

/*- 
 * Copyright (c) 2013 Cosku Acay, http://www.coskuacay.com 
 * 
 * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a 
 * copy of this software and associated documentation files (the "Software"), 
 * to deal in the Software without restriction, including without limitation 
 * the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, 
 * and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the 
 * Software is furnished to do so, subject to the following conditions: 
 * 
 * The above copyright notice and this permission notice shall be included in 
 * all copies or substantial portions of the Software. 
 * 
 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR 
 * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, 
 * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE 
 * AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER 
 * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING 
 * FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS 
 * IN THE SOFTWARE. 
 */  
  
#ifndef MEMORY_BLOCK_TCC  
#define MEMORY_BLOCK_TCC  
  
// 计算对齐所需补的空间  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::size_type  
MemoryPool<T, BlockSize>::padPointer(data_pointer_ p, size_type align)  
const throw()  
{  
  size_t result = reinterpret_cast<size_t>(p);  
  return ((align - result) % align);  
}  
  
/* 构造函数，所有成员初始化 */  
template <typename T, size_t BlockSize>  
MemoryPool<T, BlockSize>::MemoryPool()  
throw()  
{  
  currentBlock_ = 0;  
  currentSlot_ = 0;  
  lastSlot_ = 0;  
  freeSlots_ = 0;  
}  
  
/* 复制构造函数,调用 MemoryPool 初始化*/  
template <typename T, size_t BlockSize>  
MemoryPool<T, BlockSize>::MemoryPool(const MemoryPool& memoryPool)  
throw()  
{  
  MemoryPool();  
}  
  
/* 复制构造函数,调用 MemoryPool 初始化*/  
template <typename T, size_t BlockSize>  
template<class U>  
MemoryPool<T, BlockSize>::MemoryPool(const MemoryPool<U>& memoryPool)  
throw()  
{  
  MemoryPool();  
}  
  
/* 析构函数，把内存池中所有 block delete 掉 */  
template <typename T, size_t BlockSize>  
MemoryPool<T, BlockSize>::~MemoryPool()  
throw()  
{  
  slot_pointer_ curr = currentBlock_;  
  while (curr != 0) {  
    slot_pointer_ prev = curr->next;  
    // 转化为 void 指针，是因为 void 类型不需要调用析构函数,只释放空间  
    operator delete(reinterpret_cast<void*>(curr));  
    curr = prev;  
  }  
}  
  
/* 返回地址 */  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::pointer  
MemoryPool<T, BlockSize>::address(reference x)  
const throw()  
{  
  return &x;  
}  
  
/* 返回地址的 const 重载*/  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::const_pointer  
MemoryPool<T, BlockSize>::address(const_reference x)  
const throw()  
{  
  return &x;  
}  
  
// 申请一块空闲的 block 放进内存池  
template <typename T, size_t BlockSize>  
void  
MemoryPool<T, BlockSize>::allocateBlock()  
{  
  // Allocate space for the new block and store a pointer to the previous one  
  // operator new 申请对应大小内存，返回 void* 指针  
  data_pointer_ newBlock = reinterpret_cast<data_pointer_>  
                           (operator new(BlockSize));  
  // 原来的 block 链头接到 newblock  
  reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock)->next = currentBlock_;  
  // 新的 currentblock_  
  currentBlock_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(newBlock);  
  // Pad block body to staisfy the alignment requirements for elements  
  data_pointer_ body = newBlock + sizeof(slot_pointer_);  
  // 计算为了对齐应该空出多少位置  
  size_type bodyPadding = padPointer(body, sizeof(slot_type_));  
  // currentslot_ 为该 block 开始的地方加上 bodypadding 个 char* 空间  
  currentSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(body + bodyPadding);  
  // 计算最后一个能放置 slot_type_ 的位置  
  lastSlot_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>  
              (newBlock + BlockSize - sizeof(slot_type_) + 1);  
}  
  
// 返回指向分配新元素所需内存的指针  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::pointer  
MemoryPool<T, BlockSize>::allocate(size_type, const_pointer)  
{  
  // 如果 freeSlots_ 非空，就在 freeSlots_ 中取内存  
  if (freeSlots_ != 0) {  
    pointer result = reinterpret_cast<pointer>(freeSlots_);  
    // 更新 freeSlots_  
    freeSlots_ = freeSlots_->next;  
    return result;  
  }  
  else {  
    if (currentSlot_ >= lastSlot_)  
      // 之前申请的内存用完了，分配新的 block  
      allocateBlock();  
    // 从分配的 block 中划分出去  
    return reinterpret_cast<pointer>(currentSlot_++);  
  }  
}  
  
// 将元素内存归还给 free 内存链表  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline void  
MemoryPool<T, BlockSize>::deallocate(pointer p, size_type)  
{  
  if (p != 0) {  
    // 转换成 slot_pointer_ 指针，next 指向 freeSlots_ 链表  
    reinterpret_cast<slot_pointer_>(p)->next = freeSlots_;  
    // 新的 freeSlots_ 头为 p  
    freeSlots_ = reinterpret_cast<slot_pointer_>(p);  
  }  
}  
  
// 计算可达到的最大元素上限数  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::size_type  
MemoryPool<T, BlockSize>::max_size()  
const throw()  
{  
  size_type maxBlocks = -1 / BlockSize;  
  return (BlockSize - sizeof(data_pointer_)) / sizeof(slot_type_) * maxBlocks;  
}  
  
// 在已分配内存上构造对象  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline void  
MemoryPool<T, BlockSize>::construct(pointer p, const_reference val)  
{  
  // placement new 用法，在已有内存上构造对象，调用 T 的复制构造函数，  
  new (p) value_type (val);  
}  
  
// 销毁对象  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline void  
MemoryPool<T, BlockSize>::destroy(pointer p)  
{  
  // placement new 中需要手动调用元素 T 的析构函数  
  p->~value_type();  
}  
  
// 创建新元素  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline typename MemoryPool<T, BlockSize>::pointer  
MemoryPool<T, BlockSize>::newElement(const_reference val)  
{  
  // 申请内存  
  pointer result = allocate();  
  // 在内存上构造对象  
  construct(result, val);  
  return result;  
}  
  
// 删除元素  
template <typename T, size_t BlockSize>  
inline void  
MemoryPool<T, BlockSize>::deleteElement(pointer p)  
{  
  if (p != 0) {  
    // placement new 中需要手动调用元素 T 的析构函数  
    p->~value_type();  
    // 归还内存  
    deallocate(p);  
  }  
}  
  
#endif // MEMORY_BLOCK_TCC

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