C++内存管理：其四、使用链表实现简易版内存池

一、为什么需要内存池？

按照标准库的写法，new一个对象的时候，会malloc一块内存；delete的时候会free这块内存。频繁的malloc与free存在两个问题：
（1）耗时，这两个都是操作系统层级的函数，会相对耗时。
（2）malloc的内存中存在上下两个cookie，用来标记这块内存的起止地址，而且内存要向上取8的倍数。如果大量malloc，那么内存内存浪费还是比较惊人的。
这个问题，内存池可以很好地解决。

二、什么是内存池？

既然频繁的malloc不是一件好事情，那么我们可以一次malloc申请一大块内存。当需要new一个对象的时候，可以在已经申请好的内存里面执行构造函数。在我们delete这个对象之后，这个内存上还可以用来构造其它对象。
这就是内存池设计的基本思想：一次性申请大块内存，用于多次new对象，避免频繁的malloc与delete。

三、链表实现内存池的基本思想

你如果在中文搜索引擎上面搜索“内存池的实现”，出现最多的方法就是链表实现内存池。有一说一，这个名字取得不好，非常容易让人产生误解。比如：
（1）用链表实现内存池，链表本来就是不连续的内存，那就说明要malloc多次，那么这个内存池有什么意义？？？
答案：内存池就是一次（扩容情况下多次）malloc的内存，是连续的内存。只不过将连续的内存使用链表管理起来了。

（2）既然有了一个连续的内存，为什么要将其用链表分割呢？
答案：方便我们即使获取被释放的内存，将其纳入可用内存。举个例子，假如我们的内存池可以容纳若干个对象，我们依次按照地址顺序构造了三个对象，这个时候如果释放了第一个对象，可以把这块地址通过指针管理起来。一句话：内存池在构造的时候是连续地址，但是在多次获取和释放以后，就会变成局部离散的地址！

内存池的基本设计思想：
（1）一次申请大块内存，将其按照对象所需的大小切片。各个内存片之间通过指针串起来。内存池构造好的时候，这个链表的各个结构体内存地址是顺序的。
（2）如果需要使用内存，将链表头指向下一个节点，原来的链表头返回。这个链表头中有足够的空间供给所需对象的构造。
（3）如果需要释放内存，则将这块内存原封不动的插到链表头，到这里就可以看出来，多次申请和释放内存后，链表就不是有序的了。
（4）最关键一步：使用这个内存池的类，要重载operator new和operator delete函数，使用内存池版本。

看代码：

#include <iostream>
using namespace std;

template<int ObjectSize, int maxSize = 20>
class MemPool
{
    struct Node{     //实际用于构造对象的内存
        Node * next = nullptr;
        char data[ObjectSize];   //足够大的空间容纳对象
    };
private:
    Node * freeNodeHead{nullptr};
public:
    MemPool(){
        cout<<sizeof(Node)<<endl;
        freeNodeHead = new Node[maxSize];
        for(int i=0;i<maxSize-1;i++){
            freeNodeHead[i].next=&freeNodeHead[i+1];
        }
    }

    ~MemPool(){
        delete [] freeNodeHead;
    }

    void * malloc(){
        if(freeNodeHead == nullptr){
            freeNodeHead = new Node[maxSize];
            for(int i=0;i<maxSize-1;i++){
                freeNodeHead[i].next=&freeNodeHead[i+1];
            }
        }
        cout<< "malloc a mem" <<endl;
        Node * ret = freeNodeHead;
        freeNodeHead = freeNodeHead->next;
        ret->next = nullptr;
        return ret;
    };

    void free(void * p){
        cout<<"free a mem"<<endl;
        Node * newNode = (Node * )p;
        newNode->next = freeNodeHead;
        freeNodeHead = newNode;
    }
};

class Test {
    int No{1};

public:

    void print() {
        cout << this << ": "<<endl;
    }

    void* operator new(size_t size);
    void operator delete(void* p);
};

MemPool<sizeof(Test), 10> mp;

void* Test::operator new(size_t size) {
    return mp.malloc();
}

void Test::operator delete(void* p) {
    mp.free(p);
}

int main()
{
    Test * p1 = new Test;
    p1->print();

    Test * p2 = new Test;
    p2->print();

    delete p1;

    Test * p3 = new Test;
    p3->print();

    delete p2;

    delete p3;

}

猜测一下，如果p1和p3的地址一模一样，就说明我们的内存池成功了。

malloc a mem
0x19c53785f20:
malloc a mem
0x19c53785f30:
free a mem
malloc a mem
0x19c53785f20:
free a mem
free a mem

一模一样，成功了。
但是好像有点问题，地址偏移量什么是16个字节？因为内存对齐机制。虽然ObjectSize+指针大小小于16，但是会对齐为16个字节。