C 内存相关

内存池原理

在编程实践中，不可避免地要大量用到堆上的内存。例如在程序中维护一个链表的数据结构时，每次新增或者删除一个链表的节点，都需要从内存堆上分配或者释放一定的内存；在维护一个动态数组时，如果动态数组的大小不能满足程序需要时，也要在内存堆上分配新的内存空间。

默认内存池的不足

利用默认的内存管理函数new/delete或malloc/free在堆上分配和释放内存会有一些额外的开销。
系统在接收到分配一定大小内存的请求时，首先查找内部维护的内存空闲块表，并且需要根据一定的算法（例如分配最先找到的不小于申请大小的内存块给请求者，或者分配最适于申请大小的内存块，或者分配最大空闲的内存块等）找到合适大小的空闲内存块。如果该空闲内存块过大，还需要切割成已分配的部分和较小的空闲块。然后系统更新内存空闲块表，完成一次内存分配。类似地，在释放内存时，系统把释放的内存块重新加入到空闲内存块表中。如果有可能的话，可以把相邻的空闲块合并成较大的空闲块。
默认的内存管理函数还考虑到多线程的应用，需要在每次分配和释放内存时加锁，同样增加了开销。
可见，如果应用程序频繁地在堆上分配和释放内存，则会导致性能的损失。并且会使系统中出现大量的内存碎片，降低内存的利用率。
默认的分配和释放内存算法自然也考虑了性能，然而这些内存管理算法的通用版本为了应付更复杂、更广泛的情况，需要做更多的额外工作。而对于某一个具体的应用程序来说，适合自身特定的内存分配释放模式的自定义内存池则可以获得更好的性能。

内存池定义和分类

自定义内存池的思想通过这个”池”字表露无疑，应用程序可以通过系统的内存分配调用预先一次性申请适当大小的内存作为一个内存池，之后应用程序自己对内存的分配和释放则可以通过这个内存池来完成。只有当内存池大小需要动态扩展时，才需要再调用系统的内存分配函数，其他时间对内存的一切操作都在应用程序的掌控之中。
应用程序自定义的内存池根据不同的适用场景又有不同的类型。
从线程安全的角度来分，内存池可以分为单线程内存池和多线程内存池。单线程内存池整个生命周期只被一个线程使用，因而不需要考虑互斥访问的问题；多线程内存池有可能被多个线程共享，因此则需要在每次分配和释放内存时加锁。相对而言，单线程内存池性能更高，而多线程内存池适用范围更广。
从内存池可分配内存单元大小来分，可以分为固定内存池和可变内存池。所谓固定内存池是指应用程序每次从内存池中分配出来的内存单元大小事先已经确定，是固定不变的；而可变内存池则每次分配的内存单元大小可以按需变化，应用范围更广，而性能比固定内存池要低。
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性能比较

为了测试利用内存池后的效果，通过一个很小的测试程序可以发现采用内存池机制后耗时为297 ms。而没有采用内存池机制则耗时625 ms，速度提高了52.48%。速度提高的原因可以归结为几点，其一，除了偶尔的内存申请和销毁会导致从进程堆中分配和销毁内存块外，绝大多数的内存申请和销毁都由内存池在已经申请到的内存块中进行，而没有直接与进程堆打交道，而直接与进程堆打交道是很耗时的操作；其二，这是单线程环境的内存池，可以看到内存池的Alloc和Free操作中并没有加线程保护措施。因此如果类A用到该内存池，则所有类A对象的创建和销毁都必须发生在同一个线程中。但如果类A用到内存池，类B也用到内存池，那么类A的使用线程可以不必与类B的使用线程是同一个线程。
另外，在第1章中已经讨论过，因为内存池技术使得同类型的对象分布在相邻的内存区域，而程序会经常对同一类型的对象进行遍历操作。因此在程序运行过程中发生的缺页应该会相应少一些，但这个一般只能在真实的复杂应用环境中进行验证。

小节

内存的申请和释放对一个应用程序的整体性能影响极大，甚至在很多时候成为某个应用程序的瓶颈。消除内存申请和释放引起的瓶颈的方法往往是针对内存使用的实际情况提供一个合适的内存池。内存池之所以能够提高性能，主要是因为它能够利用应用程序的实际内存使用场景中的某些”特性”。比如某些内存申请与释放肯定发生在一个线程中，某种类型的对象生成和销毁与应用程序中的其他类型对象要频繁得多，等等。针对这些特性，可以为这些特殊的内存使用场景提供量身定做的内存池。这样能够消除系统提供的缺省内存机制中，对于该实际应用场景中的不必要的操作，从而提升应用程序的整体性能。