一、池化技术
所谓“池化技术”，就是程序先向系统申请过量的资源，然后⾃⼰管理，以备不时之需。之所以要申请过量的资源，是因为每次申请该资源都有较⼤的开销，不如提前申请好了，这样使⽤时就会变得⾮常快捷，⼤⼤提⾼程序运⾏效率。
在计算机中，有很多使⽤“池”这种技术的地⽅，除了内存池，还有连接池、线程池、对象池等。以服务器上的线程池为例，它的主要思想是：先启动若⼲数量的线程，让它们处于睡眠状态，当接收到客户端的请求时，唤醒池中某个睡眠的线程，让它来处理客户端的请求，当处理完这个请求，线程⼜进⼊睡眠状态。
二、内存池
内存池是指程序预先从操作系统申请⼀块⾜够⼤的内存，此后，当程序中需要申请内存的时候，不是直接向操作系统申请，⽽是直接从内存池中获取；同理，当程序释放内存的时候，并不真正将内存返回给操作系统，⽽是返回内存池。当程序退出(或者特定时间)时，内存池才将之前申请的内存真正释放。
三、内存池主要解决的问题
内存池主要解决的当然是效率的问题，其次如果作为系统的内存分配器的⻆度，还需要解决⼀下内存碎⽚的问题。那么什么是内存碎⽚呢？
内存碎⽚分为外碎⽚和内碎⽚，外部碎⽚是⼀些空闲的连续内存区域太⼩，这些内存空间不连续，以⾄于合计的内存⾜够，但是不能满⾜⼀些的内存分配申请需求。内部碎⽚是由于⼀些对⻬的需求，导致分配出去的空间中⼀些内存⽆法被利⽤。
malloc申请内存能适应于大多数场景，是通用的，但在某些特定场景下效率并不高，而且可能会产生大量的内存碎片。
四、定长内存池的实现
1.定长内存池的原理
如上所述，我们先向系统申请一大块空间，然后当我们需要申请内存时就从这块空间上获取，我们把空间用完后不用急着释放回系统，而是把它用一个自由链表连接起来，进行二次利用。也就是说我们再次申请空间时可以在这块废弃的空间上找，如果没有再去大空间上找，如果还不够再去向系统申请。
2.框架
封装一个类，它的成员变量应包括：一个size_t类型储存该块空间的字节大小，一个void*指针储存自由链表的头，char*指针指向这块空间的起始地址，char*类型指针每加1只向后移动一字节，方便指针的移动。因为我们每被用户申请一小块空间后，指针往后移动到下一个为没利用的空间的起始地址。
template <typename T>
class FixedMemoryPool
{
public:
T *New();
void Delete(T *p);
private:
size_t _sumSize = 0;
char *_memory = nullptr;
void *_list_head = nullptr;
};初始化操作只需要在成员变量声明这里进行，然后使用默认的构造函数就可以，主要需要我们来实现New和Delete的逻辑。
3.Delete实现
Delete主要就是来维护自由链表，我们先来实现自由链表，因为在New中需要先在自由链表中查找空间。首先执行它的析构清空在它身上申请的空间。因为头插比较方便，我们直接把它头插到自由链表中。接下来就是头插操作：
我们把这块需要插入到链表的废弃空间记为p，首先把_list_head储存到p空间的前4/8字节，因为并不确定用户用的是32位系统还是64位系统，所以可以用这样一个操作来解决：
*(void **)p = _list_head;
然后_list_head = p，如下：
void Delete(T *p)
{
p->~T();
*(void **)p = _list_head;
_list_head = p;
}4.New实现
我们先来定义一个T* ret用来储存返回值，然后先去自由链表里找空间，如：
if (_list_head != nullptr)
{
ret = (T *)_list_head;
_list_head = *(void **)_list_head;
}大家看到 _list_head = *(void **)_list_head 这个代码可能会一点懵我来逐一讲解以下：
_list_head是一个void*指针，储存了一个地址，而这个地址空间里面又储存了下一个节点的指针，(void**)相当于告诉编译器我是指向一个void*类型的指针，然后进行解引用得到这块地址，并更新_list_head。
如果链表里没有空间向大空间里获取：
else
{
int objSize = max(sizeof(T), sizeof(void *));
if (_sumSize < objSize)//空间不够向系统申请
{
_memory = (char *)malloc(128 * 1024);
_sumSize = 128 * 1024;
}
ret = (T *)_memory;
_memory += objSize;//移向未被利用的起始空间
_sumSize -= objSize;//更新剩余空间的大小
}objSize的作用：
因为我们要保证这块空间至少要能存放得下一个地址，要不然被弃用后无法连接到自由链表。
注意这里_sumSize不能是+=128*1024，因为_memory的初始地址已经更新了，要与_memory匹配。
最后对ret使用定位 new 后返回即可。
5.性能测试
源码已放在下文，如下是测试结果：
我们可以看到用定长内存池比new申请内存要快得多得多。
注：new的底层调用的就是malloc。
五、源码
FixedMemoryPool.h
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <memory>
using namespace std;
namespace my_MemoryPool
{
template <typename T>
class FixedMemoryPool
{
public:
T *New()
{
T *ret = nullptr;
if (_list_head != nullptr)
{
ret = (T *)_list_head;
_list_head = *(void **)_list_head;
}
else
{
int objSize = max(sizeof(T), sizeof(void *));
if (_sumSize < objSize)
{
_memory = (char *)malloc(128 * 1024);
_sumSize = 128 * 1024;
}
ret = (T *)_memory;
_memory += objSize;
_sumSize -= objSize;
}
new (ret) T;
return ret;
}
void Delete(T *p)
{
p->~T();
*(void **)p = _list_head;
_list_head = p;
}
private:
size_t _sumSize = 0;
char *_memory = nullptr;
void *_list_head = nullptr;
};
}
test.cc
#include "FixedMemoryPool.h"
#include <vector>
using namespace my_MemoryPool;
struct TreeNode
{
int _val;
TreeNode* _left;
TreeNode* _right;
TreeNode()
:_val(0)
, _left(nullptr)
, _right(nullptr)
{}
};
void TestObjectPool()
{
// 申请释放的轮次
const size_t Rounds = 5;
// 每轮申请释放多少次
const size_t N = 10000;
std::vector<TreeNode*> v1;
v1.reserve(N);
size_t begin1 = clock();
for (size_t j = 0; j < Rounds; ++j)
{
for (int i = 0; i < N; ++i)
v1.push_back(new TreeNode);
for (int i = 0; i < N; ++i)
delete v1[i];
v1.clear();
}
size_t end1 = clock();
std::vector<TreeNode*> v2;
v2.reserve(N);
FixedMemoryPool<TreeNode> TNPool;
size_t begin2 = clock();
for (size_t j = 0; j < Rounds; ++j)
{
for (int i = 0; i < N; ++i)
v2.push_back(TNPool.New());
for (int i = 0; i < N; ++i)
TNPool.Delete(v2[i]);
v2.clear();
}
size_t end2 = clock();
cout << "new cost time:" << end1 - begin1 << endl;
cout << "object pool cost time:" << end2 - begin2 << endl;
}
int main()
{
TestObjectPool();
return 0;
}