【项目日记(二)】开胃菜--定长池的实现

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开发环境: Visual Studio 2022

1. 前言

在真正开始实现并发内存池前
我们先做一个子项目-定长池.
掌握了定长池对后面学习并发内存池
有很大的帮助,并且定长池本身也是
并发内存池的一个组件!

本章重点:

本篇文章着重讲解定长池的模拟实现
,其中涉及到自由链表的链接问题,如何
彻底放弃malloc的问题以及如何处理
32位和64位下指针大小的区分的问题

2. 前期基础知识铺垫

我们还需要补充两个知识的内容:

1. 如何彻底舍弃malloc?
2. 如何将free掉的资源再次利用?

windows/Linux下如何直接申请内存：

Windows下的申请方式

Linux下的申请方式

由于博主使用的开发环境是Windows
所以我这里直接使用此函数了:

inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)
{
   
#ifdef _WIN32
	void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage << 13, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
#else
	// linux下使用brk mmap等
#endif
	if (ptr == nullptr)
		throw std::bad_alloc();
	return ptr;
}

如何重复利用已经释放掉的内存:

采用自由链表的方式将所有释放
掉的空间全部连接在一起

有一个问题:既然自由链表中链接的是
已经释放掉的内存,那么就代表这块内
存已经没用了,所以在32/64位机器下,
我们直接让这份空间的头4/8个字节指
向下一份释放的资源,就不用定义next
指针了,并且,当申请空间的大小小于
4/8时我们将它扩成4/8来存储后面的地址

3. 定长池基础框架

//定长内存池
template<class T>
class ObjectPool
{
   
public:
	inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)//向系统申请内存的函数
	{
   
#ifdef _WIN32
		void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage << 13, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
#else
		// linux下brk mmap等
#endif

		if (ptr == nullptr)
			throw std::bad_alloc();
		return ptr;
	}
	T* New()
	{
   }

	void Delete(T* obj)
	{
   }

private:
	char* _memory = nullptr;     //向系统申请的一大块内存,申请了多少字节就从起始地址++多少次,所以定义为char*
	void* _freeList = nullptr;   //还回来的空间的过程中,链接的自由链表的头指针
	size_t _surplusBytes = 0;    //定长池剩余的空间大小(字节为单位)
};

关于代码的解释都在注释中,如果对架构
有不明白的地方欢迎私信.所以我们主要
是要实现两个函数,一个是new申请空间
一个是delete释放空间,并且需要注意的是,
这个定长池是一个类,在使用它时,同一类
型的变量申请空间会去同一个对象中申请

4. 定长池New的具体实现

在实现new函数之前我们要先想到
三个点:

1. 当自由链表中有空间时,应该优先
   去自由链表中拿,而不是给它切分内存

2. 当定长池剩余的空间不足时,需要扩容

3. 若对象的大小小于4/8个字节,那么它
   就无法存储下一个位置的地址,此时需
   要将它直接扩为4/8字节来使用

T* New()
{
   
	T* obj = nullptr;
	//若有还回来的内存,优先使用它而不是去切割大内存
	if (_freeList != nullptr)
	{
   
		void* next = *(void**)_freeList;//先把头内存的后面一个内存找到,再把头内存头删了给外界用
		obj = (T*)_freeList;
		_freeList = next;
	}
	else
	{
   
		if (_surplusBytes < sizeof(T))//当剩余的空间不足以分配给T类型时,也要扩容
		{
   
			//_memory = malloc(128 * 1024);//128kbKB
			_surplusBytes = 128 * 1024;
			_memory = (char*)SystemAlloc(_surplusBytes);
			if (_memory == nullptr)
				throw std::bad_alloc();
		}
		obj = (T*)_memory;
		//若此对象的大小小于的指针的大小(4/8),则它释放后无法存储下一个内存的地址,要做特殊处理
		size_t objSize = sizeof(T) < sizeof(void*) ? sizeof(void*) : sizeof(T);
		_memory += objSize;
		_surplusBytes -= objSize;
	}
	//定位new,显示调用T的构造函数初始化
	new(obj)T;
	return obj;
}

5. 对代码的解释

对代码的解释:

1. 自由链表部分

void* next = * (int**)_freeList;这段代码的意思就是将自由链表的头节点的下一个节点提取出来,由于使用的机器是32还是64位是不确定的,所以将freelist强转为int**后,再解引用就是int* 类型的变量,假如你是32位那么int* 就占四位,假如你是64位那么int* 就占八位,完全省略了去判断电脑是多少位的必要.并且将自由链表中的数据返还给外界使用是用的头删的方法,因为效率更快!

2. 直接切分内存部分

假如在64位机器下,一个指针的大小是8字节,但是用户申请了4字节的空间,这时我们需要将空间扩为八字节再返回给用户,因为一旦这份空间被返回,四字节是无法当成指针使用存储下一个节点地址的!并且切分内存后,_memory要向后移动,避免将同一份内存切分给不同的变量.在申请完内存后,需要使用定位new来对已经开辟好的空间做初始化.

3. 定长内存池的物理结剖析

将已经释放的空间挂在自由链表上是逻辑的结构,但是实际的物理结构是不管自由链表悬挂了多少个内存块,它们实际上都是连在一起的在定长池中的,只不过已经被使用了的空间在指针_memory前面,而未分配内存的空间在_memory后面!

6. 定长池delete的具体实现

定长池的删除比较简单,不需要将空间
free掉,只需要将空间挂到自由链表上即可
并且使用头插的方式

具体代码如下:

void Delete(T* obj)
{
   
	//显示调用析构函数
	obj->~T();
	//使用**强转,不管是32位还是64位都没问题
	//取obj对象头四个字节来存储nullptr或下一个被Delete的对象的空间的地址
	//使用头插,不用每次都去找尾
	*(void**)obj = _freeList;
	_freeList = obj;
}

7. 总结以及小tips

定长池的实现是在为后面的并发内存
池打基础,请同学们耐心掌握这篇文章
的所有内容,后面会有大用处!

小tips:

我们在向系统申请内存时,一次性申请了256K也就是256*1024个字节的空间,也就是说我们的定长池最多只能256K