一文读懂内存池原理与实现（图例解析）_内存池的实现原理

作者：IT小白 | 2024-03-23 02:10:25

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内存池的实现原理

一. 内存池设计

1. 目的

在给定的内存buffer上建立内存管理机制，根据用户需求从该buffer上分配内存或者将已经分配的内存释放回buffer中。

2. 要求

尽量减少内存碎片，平均效率高于C语言的malloc和free。

3. 设计思路

将buffer分为四部分，第1部分是mem_pool结构体；第2部分是内存映射表；第3部分是内存chunk结构体缓冲区；第4部分是实际可分配的内存区。整个buffer结构图如图1所示：

图1 内存buffer结构图

第1部分的作用是可以通过该mem_pool结构体控制整个内存池。

第2部分的作用是记录第4部分，即实际可分配的内存区的使用情况。表中的每一个单元表示一个固定大小的内存块（block），多个连续的block组成一个chunk，每个block的详细结构如图2所示：

图2 memory block结构图

其中count表示该block后面的与该block同属于一个chunk的blokc的个数，start表示该block所在的chunk的起始block索引。其实start这个域只有在每个chunk的最后一个block中才会用到（用于从当前chunk寻找前一个chunk的起始位置），而pmem_chunk则是一个指针，指向一个mem_chunk结构体。任意一块大小的内存都会被取向上整到block大小的整数倍。

第3部分是一个mem_chunk pool，其作用是存储整个程序可用的mem_chunk结构体。mem_chunk pool中的mem_chunk被组织成双向链表结构（快速插入和删除）。每个mem_chunk结构图如图3所示：

图3 memory chunk结构图

其中pmem_block指向该chunk在内存映射表中的位置，others表示其他一些域，不同的实现对应该域的内容略有不同。

第4部分就是实际可以被分配给用户的内存。

整个内存池管理程序除了这四部分外，还有一个重要的内容就是memory chunk set。虽然其中的每个元素都来自mem_chunk pool，但是它与mem_chunk pool的不同之处在于其中的每个memory chunk中记录了当前可用的一块内存的相关信息。而mem_chunk pool中的memory chunk的内容是无定以的。可以这样理解mem_chunk pool与memory chunk set：mem_chunk pool是为memory chunk set分配内存的“内存池”，只是该“内存池”每次分配的内存大小是固定的，为mem_chunk结构体的大小。内存池程序主要是通过搜索这个memory chunk set来获取可被分配的内存。在memory chunk set上建立不同的数据结构就构成了不同的内存池实现方法，同时也导致了不同的搜索效率，直接影响内存池的性能，本文稍后会介绍两种内存池的实现。

4. 内存池管理程序运行过程

初始化：内存映射表中只有一块可用的内存信息，大小为内存池中所有可用的内存。从memory chunk pool中分配一个mem_chunk，使其指向内存映射表中的第一个block，并根据具体的内存池实现方式填充mem_chunk中的其他域，然后将该mem_chunk添加到memory chunk set中。

申请内存：当用户申请一块内存时，首先在memory chunk set中查找合适的内存块。如果找到符合要求的内存块，就在内存映射表中找到相应的chunk，并修改chunk中相应block结构体的内容，然后根据修改后的chunk修改memory chunk set中chunk的内容，最后返回分配内存的起始地址；否则返回NULL。

释放内存：当用户释放一块内存时，首先根据这块内存的起始地址找到其在内存映射表中对应的chunk，然后尝试将该chunk和与其相邻的chunk合并，修改chunk中相应block的内容并修改memory chunk set中相应chunk的内容或者向memory chunk set加入新的mem_chunk（这种情况在不能合并内存是发生）。