FixedAllocator的设计

再参考了《Modern C++ Design》的FixedAllocator的设计，并且优化了一下算法，虽然最坏时间复杂度还是O(N)的，但是在通常情况下，new/delete的使用已经获得了比较好的性能了。

Chunk.h和version1.0的差不多，只是去掉了析构函数，让Chunk直接被FixedAlloctor操作
Chunk.h

#ifndef CHUNK_H
#define CHUNK_H

#include <cassert>

struct Chunk {
    //初始化一个Chunk
    void init(size_t blockSize, unsigned char blocks); 
    //分配一个block
    void* allocate(size_t blockSize); 
    //回收一个block
    void deallocate(void* p, size_t blockSize); 
    //Chunk的起始地址
    unsigned char* pData_; 
    //第一个可用的block
    unsigned char firstAvailableBlock_; 
    //block的块数
    unsigned char blocksAvailable_; 
};

void Chunk::init(size_t blockSize, unsigned char blocks) {
    //从操作系统申请一个Chunk的内存
    pData_ = new unsigned char[blockSize * blocks];
    firstAvailableBlock_ = 0;
    blocksAvailable_ = blocks;
    unsigned char *p = pData_;
    //每个可用的block存放它下一个可用的block的编号
    for (unsigned char i = 1; i < blocks; i++, p += blockSize) {
        *p = i;
    }
}

void* Chunk::allocate(size_t blockSize) {
    if (blocksAvailable_ == 0) return 0;
    unsigned char* pRet = pData_ + (firstAvailableBlock_ * blockSize);
    //更新第一个可用的block
    firstAvailableBlock_ = *pRet;
    blocksAvailable_--;
    return pRet;
}

void  Chunk::deallocate(void* p, size_t blockSize) {
    //判断回收的地址是否合法
    assert(p >= pData_);
    unsigned char* toRel = static_cast<unsigned char*>(p);
    //判断是否合法
    assert((toRel - pData_) % blockSize == 0);
    *toRel = firstAvailableBlock_;
    firstAvailableBlock_ = static_cast<unsigned char>((toRel - pData_) / blockSize);
    //判断是否产生精度误差
    assert(firstAvailableBlock_ == ((toRel - pData_) / blockSize));
    blocksAvailable_++;
}


#endif

FixedAllocator.h
毕竟工程还是工程，很多极端数据都是很难用到的，这个与用户使用习惯有关，对于常用的使用new的习惯（连续new，连续delete，连续new/delete）该FixedAllocator都有比较好的性能。

#ifndef FIXEDALLOCATOR_H
#define FIXEDALLOCATOR_H

#include "Chunk.h"
#include <vector>
using namespace std;

class FixedAllocator {
public :
    FixedAllocator(size_t blockSize);
    ~FixedAllocator();
    //分配内存
    void* allocate(); 
    //回收内存
    void deallocate(void* p); 

private :
    //每个Chunk所含的Block数
    static const int BLOCKS;
    //block大小
    size_t blockSize_;
    //该FixedAllocator所含的Chunks
    vector<Chunk> chunks_;
    //最后一个被用于分配空间的Chunk
    Chunk* lastAllocChunk_;
    //最后一个被用于释放空间的Chunk
    Chunk* lastDeallocChunk_;
    //被使用过的Chunks的数
    int numOfUsedChunk_;
    //判断p是否属于某个chunk
    bool isPtrInChunk(void* p, Chunk* chunk);
};

const int FixedAllocator::BLOCKS = 255;

FixedAllocator::FixedAllocator(size_t blockSize) 
: blockSize_(blockSize), lastAllocChunk_(0), lastDeallocChunk_(0), numOfUsedChunk_(0) {}

FixedAllocator::~FixedAllocator() {
    vector<Chunk>::iterator it = chunks_.begin();
    for (; it != chunks_.end(); it++) {
        delete[] it->pData_;
    }
}

void* FixedAllocator::allocate() {
    if (!lastAllocChunk_ || !lastAllocChunk_->blocksAvailable_) {
        //该Chunk不可用,需要搜索新的Chunk,deallocate保证只有vector中的最后一个块为全空
        bool noBlock = true;
        if (numOfUsedChunk_ < chunks_.size()) {
            vector<Chunk>::reverse_iterator it = chunks_.rbegin();
            for (; it != chunks_.rend(); it++) {
                if (it->blocksAvailable_ > 0) {
                    lastAllocChunk_ = &*it;
                    noBlock = false;
                    break;
                }
            }
        }
        if (noBlock) {
            //没有可用Chunk,必须新增一个块
            numOfUsedChunk_++;
            if (chunks_.size()+1 > chunks_.capacity()) {
                chunks_.reserve(chunks_.capacity() + 1000);
            }
            Chunk newChunk;
            newChunk.init(blockSize_, BLOCKS);
            chunks_.push_back(newChunk);
            lastAllocChunk_ = &chunks_.back();
            lastDeallocChunk_ = &chunks_.back();
        }
    }
    assert(lastAllocChunk_ != 0);
    assert(lastAllocChunk_->blocksAvailable_ > 0);
    return lastAllocChunk_->allocate(blockSize_);
}

inline bool FixedAllocator::isPtrInChunk(void* p, Chunk* chunk) {
    return (p >= chunk->pData_) && (p < chunk->pData_ + (blockSize_ * BLOCKS));
}

void FixedAllocator::deallocate(void* p) {
    vector<Chunk>::iterator pChunkToRelease;
    if (!isPtrInChunk(p, lastDeallocChunk_)) {
        //要释放的空间不在lastDeallocChunk中
        //从lastDeallocChunk开始up和down方向查找
        vector<Chunk>::iterator up = lastDeallocChunk_+1;
        vector<Chunk>::iterator down = lastDeallocChunk_;
        vector<Chunk>::iterator begVec = chunks_.begin();
        vector<Chunk>::iterator endVec = chunks_.end();
        int t = 0;
        while (down != begVec || up != endVec) {
            t ^= 1;
            if (up == endVec) t = 0;
            if (t) {
                //up方向
                if (up != endVec) {
                    if (isPtrInChunk(p, up)) {
                        pChunkToRelease = up;
                        break;
                    }
                    up++;
                }
            } else {
                //down方向
                if (down != begVec) {
                    down--;
                    if (isPtrInChunk(p, down)) {
                        pChunkToRelease = down;
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    } else {
        pChunkToRelease = lastDeallocChunk_;
    }
    
    assert(&*pChunkToRelease != 0);
    pChunkToRelease->deallocate(p, blockSize_);
    lastDeallocChunk_ = pChunkToRelease;

    if (pChunkToRelease->blocksAvailable_ == BLOCKS) {
        //该块已经空
        numOfUsedChunk_--;
        Chunk* it = &chunks_.back();
        if (it->blocksAvailable_ == BLOCKS) {
            //若vector末尾的chunk已是空块,直接把pChunkToRelease删除
            if (it != pChunkToRelease) {
                delete[] pChunkToRelease->pData_;
                chunks_.erase(pChunkToRelease);
            }
        } else {
            //若vector末尾的chunk非空,把pChunkToRelease移到vector末尾
            Chunk tmp(*pChunkToRelease);
            chunks_.erase(pChunkToRelease);
            chunks_.push_back(tmp);
        }
        lastDeallocChunk_ = &chunks_.front();
    }
}

#endif

MemPool.h
比起1.0少了很多代码，这个是当然的，因为很多细节都被封装在FixedAllocator里面，而且还用了STL 的vector，代码又减少了许多，但是测试时候发现vector貌似比自己写的list慢了点，估计原因是那个erase在list里面是O(1)但是 vector是O(n)的。

#ifndef MEMPOOL_H
#define MEMPOOL_H

#include "FixedAllocator.h"

class MemPool {
public :
    MemPool(size_t blockSize) : blockSize_(blockSize), allocator_(new FixedAllocator(blockSize)) {}
    ~MemPool() {
        delete allocator_;
    }
    void* alloc(size_t size) {
        if (size != blockSize_) {
            return ::operator new(size);
        }
        return allocator_->allocate();
    }
    void free(void* p, size_t size) {
        if (!p) return ;
        if (size != blockSize_) {
            ::operator delete(p);
        }
        allocator_->deallocate(p);
    }
private :
    FixedAllocator* allocator_;
    size_t blockSize_;
};


#endif

test.cpp

#include <iostream>
#include "FixedAllocator.h"
#include "MemPool.h"
#include "time.h"
using namespace std;

class TestClassA {
public :
    int a;
    static void* operator new(size_t size);
    static void operator delete(void *p, size_t size);
    static MemPool memPool;
};

inline void* TestClassA::operator new(size_t size) {
    return memPool.alloc(size);
}

inline void TestClassA::operator delete(void* p, size_t size) {
    memPool.free(p, size);
}

MemPool TestClassA::memPool(sizeof(TestClassA));

class TestClassB {
public :
    int b;
};

const int CTIMES = 1000000;

TestClassA* pa[CTIMES];
TestClassB* pb[CTIMES];

int main() {
    //测试新建1000000个SmallObjet所需要的时间
    int i;
    clock_t begA, begB, endA, endB;
        
    begB = clock();
    for (i=0; i<CTIMES; i++) {
        pb[i] = new TestClassB;
        }
    endB = clock();
    printf("Not Used MemPool Time For New = %d ms/n", endB - begB);
    

    begA = clock();
    for (i=0; i<CTIMES; i++) {
        pa[i] = new TestClassA;
    }

    endA = clock();
    printf("Used MemPool Time For New = %d ms/n", endA - begA);


    begB = clock();
    for (i=CTIMES-1; i>=0; i--) {
        delete pb[i];
    }
    endB = clock();
    printf("Not Used MemPool Time For Delete = %d ms/n", endB - begB);
    

    begA = clock();
    for (i=0; i<CTIMES; i++) {
        delete pa[i];
    }
    endA = clock();
    printf("Used MemPool Time For Delete = %d ms/n", endA - begA);
    
    
    begB = clock();
    for (i=0; i<CTIMES; i++) {
        pb[i] = new TestClassB;
        delete pb[i];
    }
    endB = clock();
    printf("Not Used MemPool Time For New/Delete = %d ms/n", endB - begB);


    begA = clock();
    for (i=0; i<CTIMES; i++) {
        pa[i] = new TestClassA;
        delete pa[i];
    }
    endA = clock();
    printf("Used MemPool Time For New/Delete = %d ms/n", endA - begA);


    return 0;
}

测试结果如下：
Not Used MemPool Time For New = 360 ms
Used MemPool Time For New = 156 ms
Not Used MemPool Time For Delete = 531 ms
Used MemPool Time For Delete = 266 ms
Not Used MemPool Time For New/Delete = 906 ms
Used MemPool Time For New/Delete = 344 ms
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明显比version1.0好很多，接着准备写versiong1.2，希望获得更好的封装，同时优化再优化FixedAllocator的算法。还有推荐大家看《Modern C++ Design》这本书，真的很好。