C++——内存池_2

重载 new 和 delete 运算符

实际开发中，重载new和delete的主要目的是实现内存池。内存池在高性能的服务程序中很常用。点击浏览重载 new 和 delete 运算符的内容，建议先看这部分。

C++内存池

内存池是预先分配的内存空间。程序启动的时候，先向系统申请一大块连续的空间。在程序中，如果需要用内存， 从内存池中借一块小的空间出来，用完了再还回去。说白了，如果沒有内存池，直接向系统借；如果有内存池，就向内存池借。
程序在运行的过程中，如果内存池太小了，可以扩展。但有一个原则，每次都会向系统申请一大块连续的内存空间。

使用内存池的目的

目的主要有两个：

1. 提升分配和归还的速度

• 对高性能的服务程序来说，频繁的new和delete也算浪费资源。

2. 减少内存碎片

• 碎片多了，系统管理内存的效率就会下降，系统的性能也会下降。

逐步实现内存池

#include <iostream>using namespace std;class Car
{public:int speed;float acceleration;Car(int sp, float acc){speed = sp, acceleration = acc; cout << "~~ 类的构造 speed: " << speed << " acceleration: " << acceleration << " ~~" << endl;}~Car() {cout << "~~ 调用析构 ~~" << endl;}
};int main() {Car* p = new Car(320, 4.6);cout << "p的地址：" << p << "\nspeed: " << p->speed << " acceleration: " << p->acceleration << endl;delete p;return 0;
}

在上面这段代码中，Car类有两个类型分别是int和float的成员变量，所以，用Car类创建的对象占用的内存空间是8字节。
我打算预先向系统申请连续的18字节的内存空间，如下图：

也就是说，内存池的大小是18字节。
组织数据的方法是：标志位，1个字节（图中的0号、9号字节），表示后面的空间是否被占用。后面8个（1～8号、10～17号）字节刚好可以存放1个Car类对象。
标志位的取值只有0和1，0表示空闲，1表示占用。故这18个字节的内存池，能存放2个Car对象。
当需要为Car对象分配内存的时候，先判断标志位是否被占用，若没有被占用，就把标志位后面的这个内存地址返回。
了解以上这些知识后，来看一段示例代码：

#include <iostream>using namespace std;class Car
{public:int speed;float acceleration;Car(int sp, float acc){speed = sp, acceleration = acc; cout << "~~ 类的构造 speed: " << speed << " acceleration: " << acceleration << " ~~" << endl;}~Car() {cout << "~~ 调用析构 ~~" << endl;}void* operator new(size_t size){cout << "调用类的重载 new: " << size << " 字节" << endl;void* ptr = malloc(size);cout << "申请的地址是：" << ptr << endl;return ptr;}void operator delete(void* ptr){cout << "调用了类的重载 delete" << endl;if (ptr == 0) return;free(ptr);}
};int main() {Car* p = new Car(320, 4.6);cout << "p的地址：" << p << "\nspeed: " << p->speed << " acceleration: " << p->acceleration << endl;delete p;return 0;
}

上面这段代码在C++——内存池_1也用到了，现在在此基础上实现简单的内存池。

首先，内存池需要一个指针来存放它的起始地址。内存池就是一块内存，没有数据类型的说法，用什么类型的指针都可以。在此示例中，用字符更合适，因为字符指针+1就是偏移1个字节。

• 声明指针，用于存放内存池的起始地址；
• 定义初始化内存池的函数；
• 定义释放内存池的函数

接下来修改分配内存的重载函数void* operator new(size_t size)，向内存池中申请内存。池中只有2个位置，判断标志位，哪个空闲就返回哪一块。如果没有空闲维位置，可以返回空地址，也可以直接向系统申请内存。
修改申请内存的重载函数，释放内存的函数void operator delete(void* ptr)也一并在下方给出，代码如下：

#include <iostream>
#include <cstring>using namespace std;class Car
{public:int speed;float acceleration;static char* m_pool; // 内存池的起始地址（为什么是静态变量？后面有提到）static bool initpool() // 初始化内存池的函数{m_pool = (char*)malloc(18); // 向系统申请18字节的内存if (m_pool == 0) return false; // 若申请失败，返回 falsememset(m_pool, 0, 18); // 把内存池中的内容初始化为 0cout << "内存池的起始地址：" << (void*)m_pool << endl;return true;}static void freepool() // 释放内存池的函数{if(m_pool == 0) return; // 如果内存池为空，无需释放，直接返回free(m_pool); // 把内存池归还给系统cout << "内存池已释放" << endl;}Car(int sp, float acc){speed = sp, acceleration = acc; cout << "~~ 类的构造 speed: " << speed << " acceleration: " << acceleration << " ~~" << endl;}~Car() {cout << "~~ 调用析构 ~~" << endl;}// 类的静态成员函数 static 所以要把 m_pool 声明为静态变量 初始化函数和释放函数也要声明为 static// C++——内存池_1 这篇文章的最后有讲到这个点void* operator new(size_t size){if(m_pool[0] == 0) // 判断第一位是否空闲 也就是要看内存空间 m_pool 的第一位的标志位 m_pool[0] 是否等于 0{cout << "分配了第一块内存：" << (void*)(m_pool + 1) << endl;m_pool[0] = 1; // 把第一位置标记为已分配return m_pool + 1; // 返回第一个用于存放对象的地址}if(m_pool[9] == 0) // 判断第二位是否空闲{cout << "分配了第二块内存：" << (void*)(m_pool + 10) << endl;m_pool[9] = 1; // 把第一位置标记为已分配return m_pool + 10; // 返回第一个用于存放对象的地址}// 若两个位置都不可用，就直接向系统申请内存void* ptr = malloc(size); // 向系统申请内存cout << "向系统申请到的内存地址：" << ptr << endl;return ptr;}void operator delete(void* ptr){if(ptr == 0) return; // 若传进来的地址为空，直接返回。if(ptr == m_pool + 1) // 若传进来的地址是内存池的第一个位置{cout << "释放第一块内存！" << endl;m_pool[0] = 0; // 把第一个位置标记为空闲return; // 归还内存之后，函数应该立即返回}if(ptr == m_pool + 10) {cout << "释放第二块内存！" << endl;m_pool[9] = 0; // 把第二个位置标记为空闲return; // 归还内存之后，函数应该立即返回}// 若传进来的地址不属于内存池，把它归还系统。free(ptr); // 释放内存}
};// 内存池的指针 m_pool 是静态成员变量，需要在 main 函数外面初始化。
char* Car::m_pool = 0; // 初始化内存池指针int main() {if(Car::initpool() == false) {cout << "初始化内存池失败！！！" << endl; return -1;}Car* p1 = new Car(320, 4.6);cout << "p1的地址：" << p1 << "\nspeed: " << p1->speed << " acceleration: " << p1->acceleration << endl;Car* p2 = new Car(220, 4.0);cout << "p2的地址：" << p2 << "\nspeed: " << p2->speed << " acceleration: " << p2->acceleration << endl;Car* p3 = new Car(520, 2.9);cout << "p3的地址：" << p3 << "\nspeed: " << p3->speed << " acceleration: " << p3->acceleration << endl;delete p1;Car* p4 = new Car(420, 4.4);cout << "p4的地址：" << p4 << "\nspeed: " << p4->speed << " acceleration: " << p4->acceleration << endl;delete p2;delete p3;delete p4;Car::freepool(); // 释放内存池return 0;
}

如果内存池用完了，根据业务的需求，一般有三种方法：

• 扩展内存
• 直接向系统申请内存
• 返回空地址

编译运行，效果应该如下（地址是你PC上开辟的内存地址，与我的不同）：

内存池的起始地址：0x56366e051eb0
分配了第一块内存：0x56366e051eb1
~~ 类的构造 speed: 320 acceleration: 4.6 ~~
p1的地址：0x56366e051eb1
speed: 320 acceleration: 4.6
分配了第二块内存：0x56366e051eba
~~ 类的构造 speed: 220 acceleration: 4 ~~
p2的地址：0x56366e051eba
speed: 220 acceleration: 4
向系统申请到的内存地址：0x56366e052ee0
~~ 类的构造 speed: 520 acceleration: 2.9 ~~
p3的地址：0x56366e052ee0
speed: 520 acceleration: 2.9
~~ 调用析构 ~~
释放第一块内存！
分配了第一块内存：0x56366e051eb1
~~ 类的构造 speed: 420 acceleration: 4.4 ~~
p4的地址：0x56366e051eb1
speed: 420 acceleration: 4.4
~~ 调用析构 ~~
释放第二块内存！
~~ 调用析构 ~~
~~ 调用析构 ~~
释放第一块内存！
内存池已释放

感谢浏览，一起学习！