boost库内存池

C9程序猿

已于 2024-11-04 16:48:32 修改

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文章标签： c++ 开发语言

于 2024-07-29 17:54:58 首次发布

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官方概述

Boost.Pool 是一个库，其中包含一些用于管理内存的类。虽然 C++ 程序通常用于 new 动态分配内存，但内存提供方式的详细信息取决于标准库的实现和操作系统。例如，使用 Boost.Pool，您可以加速内存管理，从而更快地为程序提供内存。

Boost.Pool 不会更改操作系统的行为 new 。Boost.Pool 之所以能正常工作，是因为首先从操作系统请求托管内存 - 例如，使用 new .从外部来看，您的程序已经分配了内存，但在内部，内存还不是必需的，而是交给 Boost.Pool 来管理它。

Boost.Pool 使用相同的大小对内存段进行分区。每次您从 Boost.Pool 请求内存时，库都会访问下一个空闲段，并将该段的内存分配给您。然后，无论该段实际需要多少字节，整个段都会被标记为已使用。

这种内存管理概念称为简单隔离存储。这是 Boost.Pool 支持的唯一概念。如果必须频繁创建和销毁许多相同大小的对象，则此功能特别有用。在这种情况下，可以快速提供和释放所需的内存。

Boost.Pool 的内存池

boost::simple_segregated_storage SSS:

这是实现简单分段存储概念的底层类。
它允许你添加内存块,并分配和释放固定大小的内存段。

boost::object_pool:

这个类建立在 boost::simple_segregated_storage 之上,用于管理特定类型对象的内存。
它会自动分配和释放内存,无需你直接管理内存块。
你可以指定初始和最大内存块大小。

boost::singleton_pool:

这个类与 boost::object_pool 类似,但内存块大小在模板参数中指定,而不是在运行时配置。
它提供了使用不同"标签"创建多个内存池的方式。
它还允许你释放或清除内存回到操作系统。

boost::pool_allocator 和 boost::fast_pool_allocator:

这些是可以用于标准库容器(如 std::vector 和 std::list)的分配器类。
它们内部使用 Boost.Pool 类来管理内存分配和释放。
boost::pool_allocator 更适合于连续内存分配,而 boost::fast_pool_allocator 更适合于单个内存分配。

`SSS内存池`

boost::simple_segregated_storage 是 Boost 库提供的一个底层的内存管理工具。它主要用于管理和分配内存块,为上层的内存池实现提供支持。

boost::simple_segregated_storage 的主要功能如下:

内存块管理:
- 它维护一个包含多个内存块的列表。
- 每个内存块都是一片连续的内存区域。
- 提供了添加、查找和删除内存块的接口。
内存分配:
- 根据请求的大小从内存块列表中分配内存。
- 如果找不到合适的内存块,则分配一个新的内存块。
- 支持对齐要求,确保分配的内存满足特定的对齐要求。
内存回收:
- 将已分配的内存块重新放回到内存块列表中。
- 合并相邻的空闲内存块,减少内存碎片。
线程安全:
- 提供了基于 std::mutex 的同步机制,支持多线程访问。

总结：

boost::simple_segregated_storage （有点类似SGI二级内存管理，这里是用一个指针来管理）的主要特点包括:

简单轻量:它是一个基础的内存管理工具,实现简单,开销较小。
高效:通过维护内存块列表,可以快速分配和回收内存。
可定制:提供了许多可配置的选项,如内存块大小、对齐方式等。
可重用:可以被上层的内存池实现 (如 boost::pool) 重复利用。

使用示例

// simple_segregated_storage 底层封装接口，基本不怎么使用。 默认对齐方式是按照256字节对齐的
    boost::simple_segregated_storage<std::size_t> storage;
    std::vector<char> v(1024);
    storage.add_block(&v.front(), v.size(), 256); // 起始点 长度  每块大小
    int *i = static_cast<int *>(storage.malloc());
    *i = 1;
    int *j = static_cast<int *>(storage.malloc_n(1, 512)); // 使用了2块内存块 512字节内存
    j[10] = 2;
    storage.free(i);
    storage.free_n(j, 1, 512);

object_pool

除了sss内存池特点外，主要特点：

固定大小对象管理:

boost::object_pool 专注于管理固定大小的对象。
它使用一个连续的内存块来存储这些对象,提高了空间利用率和缓存命中率。

线程安全支持:

boost::object_pool 提供了基于 std::mutex 的同步机制,支持多线程环境下的安全使用。

异常安全:

boost::object_pool 的接口设计考虑了异常安全性。
即使在分配或释放对象过程中发生异常,也不会导致内存泄漏。


#include <boost/pool/object_pool.hpp>
#include <boost/pool/singleton_pool.hpp>
#include <boost/pool/pool_alloc.hpp>
#include <vector>
#include <list>
#include <iostream>

class Myclass
{
private:
    /* data */

public:
    int value;
    Myclass(/* args */)
    {
    }
    Myclass(int v) : value(v)
    {
    }
    ~Myclass()
    {
    }
};

int main()
{
  

    // 高级接口 自动分配内存，而无需您自己分配内存。 扩容：两倍  第二构造参数：最大扩容量
    boost::object_pool<Myclass> classPool;
    Myclass *obj1 = classPool.construct(10);
    auto obj2 = classPool.construct(2);
    std::cout << "obj1 :" << obj1->value << "  obj2  " << obj2->value << std::endl;

    // classPool.destroy(obj1);
    // classPool.destroy(obj2);
    // 初始内存块32个int 下次内存块则是64int   0则表示无最大扩容了 无限增长
    boost::object_pool<int> boostTestpool{32, 10240};
    boostTestpool.construct();
    std::cout << "下一块内存块大小：" << boostTestpool.get_next_size() << "\n";
    boostTestpool.set_next_size(8); // 设置下一块内存块大小
    std::cout << "下一块内存块大小：" << boostTestpool.get_next_size() << "\n";


    return 0;
}

singleton_pool

与object特点具有相同特性，主要特点：

单例模式:
全局共享:由于采用了单例模式,boost::singleton_pool 实例可以被全局共享使用。
静态接口:
- boost::singleton_pool 提供了一组静态成员函数来管理内存池。
- 这些静态接口可以直接通过类名调用,而不需要创建实例对象。

// 模板参1是标签 参2是类型  根据标签为索引的单例模式，线程安全。
    using IntPool = boost::singleton_pool<struct IntPoolTag, sizeof(int)>;

    int *i2 = static_cast<int *>(IntPool::malloc());
    *i2 = 100;
    int *j2 = static_cast<int *>(IntPool::ordered_malloc(10));
    j2[9] = 2;
    std::cout << "*i: " << *i2 << "  j[9]" << j2[9] << std::endl;
    std::free(i2);
    // IntPool::release_memory(); //释放当前未使用的所有内存块
    // IntPool::purge_memory(); // 释放所有内存块 - 包括当前正在使用的内存块。

Allocator内存分配器

boost::pool_allocator 和 boost::fast_pool_allocator 主要特点:

这些是可以用于标准库容器(如 std::vector 和 std::list)的分配器类。
它们内部使用 Boost.Pool 类来管理内存分配和释放。
boost::pool_allocator 更适合于连续内存分配,而 boost::fast_pool_allocator 更适合于单个内存分配。

#include <boost/pool/object_pool.hpp>
#include <boost/pool/singleton_pool.hpp>
#include <boost/pool/pool_alloc.hpp>
#include <vector>
#include <list>
#include <iostream>
//定义宏 BOOST_POOL_NO_MT ，则禁用对 Boost.Pool 的多线程支持。

class Myclass
{
private:
    /* data */

public:
    int value;
    Myclass(/* args */)
    {
    }
    Myclass(int v) : value(v)
    {
    }
    ~Myclass()
    {
    }
};
struct IntPoolTag
{
};
struct VecIntPoolTag
{
};
int main()
{
     // 使用 boost::pool_allocator 管理 std::vector 内存 pool_allocator基于singleton
    std::vector<int, boost::pool_allocator<int>> vec;
    for (int i = 0; i < 1000; ++i)
        vec.push_back(i);
    vec.clear();
    boost::singleton_pool<boost::pool_allocator_tag, sizeof(int)>::
        purge_memory();


    // 使用 boost::fast_pool_allocator 地址不连续情景
    using ListAllocator = boost::fast_pool_allocator<int, //分配器管理的对象类型
     boost::default_user_allocator_new_delete,  //内存分配器
     boost::details::pool::default_mutex,        //默认的互斥锁
     64, 128>;      //内存块的初始大小(以字节为单位)和最大大小

    std::list<int, ListAllocator> l;
    for (int k = 0; k < 1000; ++k)
    {
        l.push_back(k);
    }
    // l.clear();
    //  重置所有使用 boost::fast_pool_allocator 分配器的内存池。
    boost::singleton_pool<boost::fast_pool_allocator_tag, sizeof(int)>::purge_memory();
    return 0;
}

总结

内存池管理:
- Boost.Pool 提供了两种主要的内存池实现: boost::object_pool 和 boost::singleton_pool。
- 它们都利用 boost::simple_segregated_storage 来管理内存块,提高内存利用率和缓存命中率。
固定大小对象管理:
- Boost.Pool 专注于管理固定大小的对象,这种设计能够提高内存管理的效率。
- 它使用连续的内存块来存储这些对象,避免了频繁的 new 和 delete 操作。
高效的内存分配和释放:
- Boost.Pool 采用了空闲链表的方式管理空闲对象,分配和释放对象只需要操作链表,开销较小。
线程安全支持:
- Boost.Pool 提供了基于 std::mutex 的同步机制,支持多线程环境下的安全使用。
- 定义宏 BOOST_POOL_NO_MT ，则禁用对 Boost.Pool 的多线程同步支持。
自定义内存管理:
- Boost.Pool 允许用户自定义内存块的分配和释放行为,通过重载 malloc 和 free 接口实现。
异常安全:
- Boost.Pool 的接口设计考虑了异常安全性,即使在分配或释放对象过程中发生异常,也不会导致内存泄漏。
boost::pool_allocator 和 boost::fast_pool_allocator:
- 这两种分配器实现了标准 std::allocator 接口,可以与标准容器和算法无缝集成。
- 它们利用了 Boost.Pool 的内存池机制,在需要频繁创建和销毁同一类型对象的场景下能够提高性能。