教你用C来实现基于Mempool的内存池设计

　　前言
　　设计内存池的目标是为了保证服务器长时间高效地运行，通过对申请空间小而申请频繁的对象进行有效管理，减少内存碎片的产生，合理分配管理用户内存，从而减少系统中出现有效空间足够，而无法分配大块连续内存的情况。
　　此次设计内存池的基本目标，需要满足线程安全性（多线程），适量的内存泄露越界检查，运行效率不太低于malloc/free方式，实现对4-128字节范围内的内存空间申请的内存池管理（非单一固定大小对象管理的内存池）。 内存池技术设计与实现
　　本内存池的设计方法主要参考SGI的alloc的设计方案，为了适合一般的应用，并在alloc的基础上做一些简单的修改。
　　Mempool的内存池设计方案如下（也可参考候捷《深入剖析STL》）
　　从系统申请大块heap内存，在此内存上划分不同大小的区块，并把具有相同大小的区块连接起来，组成一个链表。比如A大小的块，组成链表L，当申请A大小 时，直接从链表L头部（如果不为空）上取到一块交给申请者，当释放A大小的块时，直接挂接到L的头部。内存池的原理比较简单，但是在具体实现过程中需要大量的 细节需要注意。
　　1：字节对齐。
　　为了方便内存池中对象的管理，需要对申请内存空间的进行调整，在Mempool中，字节对齐的大小为最接近8倍数的字节数。比如，用户申请5个字节，Mempool首先会把它调整为8字节。比如申请22字节，会调整为24，对比关系如下
　　序号
　　对齐字节
　　范围
　　0
　　8
　　1-8
　　1
　　16
　　9-16
　　2
　　24
　　17-24
　　3
　　32
　　25-32
　　4
　　40
　　33-40
　　5
　　48
　　41-48
　　6
　　56
　　49-56
　　7
　　64
　　57-64
　　8
　　72
　　65-72
　　9
　　80
　　73-80
　　10
　　88
　　81-88
　　11
　　96
　　89-96
　　12
　　104
　　97-104
　　13
　　112
　　105-112
　　14
　　120
　　113-120
　　15
　　128
　　121-128
　　对于超过128字节的申请，直接调用malloc函数申请内存空间。这里设计的内存池并不是对所有的对象进行内存管理，只是对申请内存空间小，而申请频繁的对象进行管理，对于超过128字节的对象申请，不予考虑。这个需要与实际项目结合，并不是固定不变的。
　　实现对齐操作的函数如下 static size_t round_up(size_t size)  {          return (((size)+7) &~ 7);// 按8字节对齐  }
　　大家如果还想了解更多Linux内核开发相关的更多知识点，请后台私信我【 内核 】免费领取，里面记录了许多的Linux内核知识点。
　　内核学习网站：
　　Linux内核源码/内存调优/文件系统/进程管理/设备驱动/网络协议栈-学习视频教程-腾讯课堂
　　2：构建索引表
　　内存池中管理的对象都是固定大小，现在要管理0-128字节的范围内的对象申请空间，除了采用上面提到的字节对齐外，还需要变通一下，这就是建立索引表，做法如下； static _obj* free_list[16]; 创建一个包含16个_obj*指针的数组，关于_obj结构后面详细讲解。free_list[0]记录所有空闲空间为8字节的链表的首地 址；free_list[1]对应16字节的链表，free_list[2]对应24字节的列表。free_list中的下标和字节链表对应关系参考图1 中的＂序号＂和＂对齐字节＂之间的关系。这种关系，我们很容易用算法计算出来。如下 static size_t freelist_index(size_t size)  {          return (((size)+7)/7-1);// 按8字节对齐  }
　　所以，这样当用户申请空间A时，我们只是通过上面简单的转换，就可以跳转到包含A字节大小的空闲链表上,如下； _obj** p = free_list[freelist_index(A)]; 3:构建空闲链表
　　通过索引表，我们知道mempool中维持着16条空闲链表，这些空闲链表中管理的空闲对象大小分别为8，16，24，32，40…128。这些空闲链表链接起来的方式完全相同。一般情况下我们构建单链表时需要创建如下的一个结构体。 struct Obj  {      Obj *next;      Char* p;      Int iSize;  }
　　next指针指向下一个这样的结构，p指向真正可用空间,iSize用于只是可用空间的大小，在其他的一些内存池实现中，还有更复杂的结构体，比如 还包括记录此结构体的上级结构体的指针，结构体中当前使用空间的变量等，当用户申请空间时，把此结构体添加的用户申请空间中去，比如用户申请12字节的空 间，可以这样做 Obj *p = (Obj*)malloc(12+sizeof(Obj));  p->next = NULL;  p->p = (char*)p+sizeof(Obj);  p->iSize = 12;
　　但是，我们并没有采用这种方式，这种方式的一个缺点就是，用户申请小空间时，内存池加料太多了。比如用户申请12字节时，而真实情况是内存池向内存 申请了12+ sizeof(Obj)=12+12=24字节的内存空间，这样浪费大量内存用在标记内存空间上去，并且也没有体现索引表的优势。Mempool采用的是 union方式 union Obj  {      Obj *next;      char client_data[1];  }
　　这里除了把上面的struct修改为union，并把int iSize去掉，同时把char*p，修改为char client_data[1]，并没有做太多的修改。而优势也恰恰体现在这里。如果采用struct方式，我们需要维护两条链表，一条链表是，已分配内存 空间链表，另一条是未分配（空闲）空间链表。而我们使用索引表和union结构体，只需要维护一条链表，即未分配空间链表。具体如下
　　索引表的作用有两条1：如上所说，维护16条空闲链表2：变相记录每条链表上空间的大小，比如下标为3的索引表内维持着是大小为24字节的空闲链表。这样我们通过索引表减少在结构体内记录p所指向空间大小的iSize变量。从而减少4个字节。
　　Union的特性是，结构内的变量是互斥存在的。在运行状态下，只是存在一种变量类型。所以在这里sizeof(Obj)的大小为4，难道这里我们也需要把这4字节也加到用户申请空间中去嘛？其实不是，如果这样，我们又抹杀了union的特性。
　　当我们构建空闲分配链表时，我们通过next指向下一个union结构体，这样我们不使用p指针。当把这个结构体分配出去时，我们直接返回 client_data的地址，此时client_data正好指向申请空间的首字节。所以这样，我们就不用在用户申请空间上添加任何东西。
　　Obj的连接方式如上所示，这样我们无需为用户申请空间添加任何内容。
　　4：记录申请空间字节数
　　如果采用面向对象方式，或者我们在释放内存池的空间时能够明确知道释放空间的大小，无需采用这种方式。
　　在C语言中的free没有传递释放空间大小，而可以正确释放，在这里也是模仿这种方式，采用这种记录申请空间大小的方式去释放内存。用户申请空 间+1操作将在字节对齐之前执行，找到合适空间后，把首字节改写为申请空间的大小，当然1个字节最多记录256个数，如果项目需要，可以设置为short 类型或者int类型，不过这样就需要占用用户比较大的空间。当释放内存空间时，首先读取这个字节，获取空间大小，进行释放。为了便于对大于128字节对象 的大小进行合适的释放，同时也对大于128字节的内存申请，添加1字节记录大小。所以现在这里限制了用户内存申请空间不得大于255字节，不过现在已经满 足项目要求。当然也可以修改为用short类型记录申请空间的大小。     // 申请      *(( unsigned char *)result) = (size_t)n;      unsigned char * pTemp = (unsigned char*)result;      ++pTemp;      result = (_obj*)pTemp;      return result;    // 释放      unsigned char * pTemp = (unsigned char *)ptr;      --pTemp;      ptr = (void*)pTemp;      n = (size_t)(*( unsigned char *)ptr);    5：内存池的分配原理
　　在内存池的设计中，有两个重要的操作过程1：chunk_alloc，申请大块内存，2：refill回填操作，内存池初始化化时并不是为索引表中 的每一项都创建空闲分配链表，这个过程会推迟到，只有用户提取请求时才会创建这样的分配链表。详细参考如下代码（在sgi中stl_alloc.h文件中 你也可以看到这两个函数），主要步骤在注释中已经说明。 /**  * @bri: 申请大块内存，并返回size*(*nobjs)大小的内存块  * @param: size,round_up对齐后的大小,nobjs  * @return: 返回指向第一个对象内存指针  */  static char* chunk_alloc(size_t size, int *nobjs)  {       /**< 返回指针 */       char* __result;       /**< 申请内存块大小 */       size_t __total_bytes = size *(*nobjs);       /**< 当前内存可用空间 */       size_t __bytes_left = _end_free - _start_free;        /**< 内存池中还有大片可用内存 */       if (__bytes_left >= __total_bytes)       {           __result = _start_free;           _start_free += __total_bytes;           return (__result);       }       /**< 至少还有一个对象大小的内存空间 */       else if (__bytes_left >= size)       {           *nobjs = (int)(__bytes_left/size);           __total_bytes = size * (*nobjs);           __result = _start_free;           _start_free += __total_bytes;           return (__result);       }       /**< 内存池中没有任何空间 */       else       {           /**< 重新申请内存池的大小 */           size_t __bytes_to_get = 2 * __total_bytes + round_up(_heap_size >> 4);           /**< 把内存中剩余的空间添加到freelist中 */           if(__bytes_left > 0)           {                _obj *VOLATILE* __my_free_list =                      _free_list + freelist_index(__bytes_left);                ((_obj*)_start_free)->free_list_link =  *__my_free_list;                *__my_free_list = (_obj*)_start_free;           }           // 申请新的大块空间           _start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);           /*=======================================================================*/           memset(_start_free,0,__bytes_to_get);           /*=======================================================================*/           // 系统内存已经无可用内存，那么从内存池中压缩内存           if(0 == _start_free)           {                size_t __i;                _obj *VOLATILE* __my_free_list;                _obj *__p;                /**< 从freelist中逐项检查可用空间(此时只收集比size对象大的内存空间) */                for (__i = size; __i <= (size_t)__MAX_BYTES; __i += __ALIGN)                {                     __my_free_list = _free_list + freelist_index(__i);                     __p = *__my_free_list;                     /**< 找到空闲块 */                     if (__p != 0)                     {                         *__my_free_list = __p->free_list_link;                         _start_free = (char*)__p;                         _end_free = _start_free + __i;                         return (chunk_alloc(size,nobjs));                     }                }                _end_free = 0;                /**< 再次申请内存，可能触发一个异常 */                _start_free = (char*)malloc(__bytes_to_get);           }           /**< 记录当前内存池的容量 */           _heap_size += __bytes_to_get;           _end_free = _start_free + __bytes_to_get;           return (chunk_alloc(size,nobjs));       }  } /*=======================================================================*/  /**   * @bri: 填充freelist的连接，默认填充20个   * @param: __n，填充对象的大小，8字节对齐后的value   * @return: 空闲   */  static void* refill(size_t n)  {       int __nobjs = 20;       char* __chunk = (char*)chunk_alloc(n, &__nobjs);       _obj *VOLATILE* __my_free_list;       _obj *VOLATILE* __my_free_list1;       _obj * __result;       _obj * __current_obj;       _obj * __next_obj;       int __i;       // 如果内存池中仅有一个对象       if (1 == __nobjs)            return(__chunk);       __my_free_list = _free_list + freelist_index(n);       /* Build free list in chunk */       __result = (_obj*)__chunk;       *__my_free_list = __next_obj = (_obj*)(__chunk + n);       __my_free_list1 = _free_list + freelist_index(n);       for (__i = 1;; ++__i)       {           __current_obj = __next_obj;           __next_obj = (_obj*)((char*)__next_obj+n);           if(__nobjs - 1 == __i)           {                __current_obj->free_list_link = 0;                break;           }else{                __current_obj->free_list_link = __next_obj;           }       }       return(__result);  }
　　经过上面操作后，内存池可能会成为如下的一种状态。从图上我们可以看到，已经构建了8，24，88，128字节的空闲分配链表，而其他没有分配空闲 分配链表的他们的指针都指向NULL。我们通过判断索引表中的指针是否为NULL，知道是否已经构建空闲分配表或者空闲分配表是否用完，如果此处指针为 NULL，我们调用refill函数，重新申请20个这样大小的内存空间，并把他们连接起来。在refill函数内，我们要查看大内存中是否有可用内存， 如果有，并且大小合适，就返回给refill函数。
　　6：线程安全 采用互斥体，保证线程安全。 内存池测试
　　内存池的测试主要分两部分测试1：单线程下malloc与mempool的分配速度对比2：多线程下malloc和mempool的分配速度对比，我们分为4，10，16个线程进行测试了。 测试环境：操作系统：windows2003+sp1，VC7.1+sp1，硬件环境：intel(R) Celeron(R) CPU 2.53GHz,512M物理内存。 申请内存空间设定如下 #define ALLOCNUMBER0 4 #define ALLOCNUMBER1 7 #define ALLOCNUMBER2 23 #define ALLOCNUMBER3 56 #define ALLOCNUMBER4 10 #define ALLOCNUMBER5 60 #define ALLOCNUMBER6 5 #define ALLOCNUMBER7 80 #define ALLOCNUMBER8 9 #define ALLOCNUMBER9 100
　　Malloc方式和mempool方式均使用如上数据进行内存空间的申请和释放。申请过程，每次循环申请释放上述数据20次 我们对malloc和mempool，分别进行了如下申请次数的测试（单位为万）
　　2
　　10
　　20
　　30
　　40
　　50
　　80
　　100
　　150
　　200
　　malloc和mempool在单线程，多线程，release，debug版的各种测试数据，形成如下的统计图
　　可以看到mempool无论在多线程还是在单线程情况下，mempool的速度都优于malloc方式的直接分配。
　　Malloc方式debug模式下，在不同的线程下，运行时间如下，通过图片可知，malloc方式，在debug模式下，申请空间的速度和多线程的关系不大。多线程方式，要略快于单线程的运行实现。
　　Malloc方式release模式测试结果如下：
　　多线程的优势，逐渐体现出来。当执行200w次申请和释放时，多线程要比单线程快1500ms左右，而4，10，16个线程之间的差别并不是特别大。不过整体感觉4个线程的运行时间要稍微高于10，16个线程的情况下，意味着进程中线程越多用在线程切换上的时间就越多。
　　下面是mempool在debug测试结果：
　　下面是mempool在release模式下的测试结果
　　以上所有统计图中所用到的数据，是我们测试三次后平均值。
　　通过上面的测试，可以知道mempool的性能基本上超过直接malloc方式，在200w次申请和释放的情况下，单线程release版情况 下，mempool比直接malloc快110倍。而在4个线程情况下，mempool要比直接malloc快7倍左右。以上测试只是申请速度的测试，在 不同的压力情况下，测试结果可能会不同，测试结果也不能说明mempool方式比malloc方式稳定。 小结：内存池基本上满足初期设计目标，但是她并不是完美的，有缺陷，比如,不能申请大于256字节的内存空间，无内存越界检查，无内存自动回缩功能等。只是这些对我们的影响还不是那么重要。