(原创)手撸一个简化版std::allocator内存池,附源码及解释
本帖最后由 花开自有丶花落 于 2019-8-26 23:47 编辑直奔主题，对于本帖，代码中的大部分注释我已经删掉，取而代之的是再本帖中尽量说明
我将主要分为五大块来介绍，顺便为自己重新捋一下思路，代码中也有某些未完善的不足，仅供学习，转载请注明出处
另：第一次写这么长的东西，有些地方写的不好还请见谅
PS：后面还有点没写完，可能是因为有些长，写草稿有些显示不出来，先发出来看下
发表后还是显示不出来，源码最下面，可以直接下载
[*]简介与使用
[*]一些宏与常量的说明
[*]各个类与函数的整体介绍
[*]每个函数内部的逻辑
[*]不足
一、简介
主要解决的内存碎片问题，为了程序长期稳定运行，而付出代价（时间与空间）代码手动管理
总体思路参照std::allocator，三个类以及一个联合体完成实现，另外已在一个近千行的多线程网络程序中测试（如要使用请自行决断）
主要通过维护16个长度不同的自由链表，8字节，16字节，32字节等等，一直到128字节，每次申请通过找到最适合的长度，找到对应链表，由链表分配内存
运行环境：vs2017
使用，如下图，只需要简单的将其包含在main文件中的第一行，重载的new和delete即可替换掉默认的
二、一些宏与常量的说明
.h的头文件，首先看到的就是一下几行：
[*]_DEBUG宏定义
宏定义_DEBUG,这个在vs中调试模式下会有这个宏，release下就不会定义这个宏
这个宏的主要作用：
调式模式：xPrintf(...)替换为printf(__VA_ARGS__)，输出调试信息
release模式：把xPrintf(...)替换为空，不会有输出信息
[*]两个常量（PS:如果看不懂这一块内容，可以先看第三块，遇到了在回来找）
const int MA_MAX_LENGT = 128;
这个128代表的是内存池最大管理的可分配长度，在本帖的内存池中，主要管理8，16，24，32，一直到MA_MAX_LENGT（128），等8的倍数的内存分配
不足8的倍数则向上取整，如new char,需要13字节内存空间，则为其分配16字节空间，回收时也由内存池回收
大于128的空间。就直接调用C的malloc()函数申请
为什么选128，因为std::allocato是这么做的，我也没有很多经验，不确定选取哪个界限，以内存池管理会有好的行为
const int SIZEOFSHORT = sizeof(short);
这个常量一般都是2字节，只是用的比较多，不想在运行时多次计算，就放到这里。
[*]重载new与delete（PS:如果看不懂这一块内容，可以先看第三块，遇到了在回来找）
只是在头文件中声明了重载new与delete，具体实现可在.cpp中找到，第三块和第四块内容也会说
三、各个类与函数的整体介绍
本块是最重要的，主要自顶向下讲述三个与联合体间的交互，介绍顺序为class SHH_MA; class free_lists; class free_listor; union obj;
[*]首先是各个类间的依赖关系（配合主要功能介绍食用第三小节）
[*]然后介绍一个各个类的主要作用
class SHH_MA;
SHH_MA是最上层的类，前缀是名字缩写喽，MA就是memory alloc（内存分配）的缩写了
SHH_MA为operator new和operator delete服务，也就是说operator new和operator delete是通过SHH_MA来分配内存的
operator new和operator delete直接通过SHH_MA分配和回收内存
class free_lists;
SHH_MA会持有一个class free_lists*的数组
free_lists是一个基类，class free_listor会继承它
free_lists提供一组接口，SHH_MA通过持有的 free_lists*数组操作free_listor对象
class free_listor;
free_listor负责内存的实际分配和实际回收，是一个模板
union obj;
obj为free_listor提供数据结构支持，也是一个模板
[*]最后是各个成员函数及数据的主要功能（PS：建议与依赖关系图配合食用）
new和delete的重载
因为重载的new和delete是最外层的调用，所以先说一下这个
如图中，仅是通过SHH_MA::SHH_MA_OBJ()得到单例对象，然后调用其分配和回收内存的函数，更多的细节留给下层的类去处理
SHH_MA::SHH_MA_OBJ()见下
class SHH_MA;
数据：
如下图
一个free_lists*数组
还有16个派生自free_lists的ree_listor，这16个free_listor分别负责维护不同大小内存的分配
free_lists数组是一个映射数组，这个数组有MA_MAX_LENGT + 1，即129，索引为0到128，分别指向16个free_listor
举例，freedom_list_map，存储指向free_listor<8> md_mem8的指针，这样比如说我这时候要申请一个5字节的空间
直接用这个申请的长度5作为索引，freedom_list_map的位置指向md_mem8，通过md_mem8的指针直接调用其分配内存函数
这么做可以提高效率，空间换时间，就不用每次申请的长度调整到8的倍数
函数：
SHH_MA() { xPrintf("SHH_MA构造\n"); init(); }
构造函数，在被声明为私有，是为了完成单例模式，因为整个程序只要有一个内存管理的就足够了，在构造内部调用了初始化函数
SHH_MA(const SHH_MA& SHH_MA) = delete;
SHH_MA& operator=(const SHH_MA& SHH_MA) = delete;
复制构造和赋值被显示禁用防止拷贝
static SHH_MA& SHH_MA_OBJ();
该函数在内部构造一个本类对象，使用时，通过该函数返回本类在其内部的唯一个单例对象，然后调用其他函数
void init();
在内部初始化freedom_list_map数组，和16个不同的长度内存池
void init_assit(int begin, int end, free_lists* p);
辅助init函数初始化，尽在init内部调用
void* request_memory(size_t size);
分配内存，返回void指针，返回内存就够了，在内存上干什么与这里无关
void return_memory(void *p);
回收内存
class free_lists;
数据：无
函数：
free_lists() {}
virtual ~free_lists() {}
构造析构略过
virtual void init(int init_block_size) { xPrintf("base init\n"); } // 初始化
virtual void* request_memory() { xPrintf("base request\n"); return nullptr; } // 申请内存
virtual void return_memory(void* p) { xPrintf("base return\n"); } // 归还内存
提供的虚函数接口， free_listor则会再次实现这些接口，这样通过在SHH_MA的free_lists数组，就可调用free_listor中对应的函数，还在SHH_MA易于管理
class free_listor:public free_lists{};
数据：
int md_init_block_size; // 该链表的初始区块数量，举例：比如当前模板参数被8初始化，那么这个对象就有md_init_block_size块8字节的内存
int md_block_size; // 链表没有可分配的空间时，会调用填充函数，再一次申请连续的内存块，初始化成链表，链入表中
obj<n>* md_header; // 链表的头
int md_one_offset; // 一次偏移的距离，为了防止多次计算
std::mutex md_mutex; // 多线程安全的保证
char* POOL; // 初始化时，申请的一大块连续内存的初始地址
函数：
free_listor();
构造并没有干什么，只是将值初始化成0和空指针
virtual void init(int init_block_size);
初始化，主要就是申请大块内存，初始化成链表
virtual void* request_memory();
申请内存
virtual void return_memory(void* p);
释放内存
void fill_memory();
two_request_memory();
这两个函数只会被void* request_memory调用，当request_memory函数管理的链表为空时，就会调用 fill_memory函数填空链表，增加可分配的块，
接着two_request_memory();就会再次申请内存，如果two_request_memory()再次申请内存失败，会直接调用malloc分配内存，malloc再失败就抛出异常
union obj;
数据：
为什么这个联合体是个模板，其实这个联合体才是整个最最核心的地方
md_data是为了定义整个区块的长度
而md_next则是为了方便把内存块转换成对象指针方便操作
其中md_data就是整个内存管理中最最精髓的地方，它既是链表，又是可分配的内存空间
举例：初始化了一个obj<8>的对象，那么根据md_data，这个obj对象实例就有8字节长，这个md_data：
在链表中：使用md_next类型，存储指向下一个节点的地址
被分配出去后：存储要写入的数据，让我用一张图来说明
md_header一开始指向地址为0的内存单元，而地址0中存储的数据是指向地址8的指针，而地址8开始存储的数据是指向 地址16的指针
当我分配出去一块8字节的内存后，md_header变更为指向地址8的位置，而地址0被返回给调用者，调用者在地址0开始的地方覆盖，直接写数据
地址0被归还回来的时候，接入链表，md_header又指向地址0，而地址0中的数据又被覆盖写为指向 地址8的指针
另：这里可能会有一个疑问？为什么最小分配的内存单元是8字节，因为这是为了兼容32位和64位系统，32位下的指针是4字节，64位下指针8字节
32下可能会浪费4字节的空间，但64位下，8字节却是刚刚好
函数：无
四、每个函数内部的逻辑
五、不足 没人吗
变量info_stand是不是标记，代码中的意思标记是用来记录一个单位长度的内存块的大小的，但是好像没什么作用，因为不会连续分配内存块，会不会浪费了内存空间。回收内存的时候最好验证一下是不是内存池中的地址。 本帖最后由 花开自有丶花落 于 2019-7-24 20:02 编辑
歪头 发表于 2019-7-23 17:39
变量info_stand是不是标记，代码中的意思标记是用来记录一个单位长度的内存块的大小的，但是好像没什么作用 ...
这个标记是为了区分是哪个自由链表的，比如说n被初始化为8，然后多申请两字节的空间，转换成short，把这个short赋值成8，这样在归还的时候，通过这个short来判断是属于哪个free_listor的，如果是直接malloc分配的，也会多申请一个short，把哪个short赋值为-1代表不是内存池分配的，直接free
为了解决内存碎片当然需要付出一些代价
花开自有丶花落 发表于 2019-7-24 19:58
这个标记是为了区分是哪个自由链表的，比如说n被初始化为8，然后多申请两字节的空间，转换成short，把 ...
有道理，思考了一下，确实没想到更好的办法。
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