利用默认的内存管理函数new/delete或malloc/free在堆上分配和释放内存会有一些额外的开销
系统在接收到分配一定大小内存的请求时,首先查找内部维护的内存空闲块表,并且需要根据一定的算法(例如分配最先找到的不小于申请大小的内存块给请求者,或者分配最适于申请大小的内存块,或者分配最大空闲的内存块等)找到合适大小的空闲内存块。如果该空闲内存块过大,还需要切割成已分配的部分和较小的空闲块。然后系统更新内存空闲块表,完成一次内存分配。类似地,在释放内存时,系统把释放的内存块重新加入到空闲内存块表中。如果有可能的话,可以把相邻的空闲块合并成较大的空闲块。
默认的内存管理函数还考虑到多线程的应用,需要在每次分配和释放内存时加锁,同样增加了开销。
可见,如果应用程序频繁地在堆上分配和释放内存,则会导致性能的损失。并且会使系统中出现大量的内存碎片,降低内存的利用率。
默认的分配和释放内存算法自然也考虑了性能,然而这些内存管理算法的通用版本为了应付更复杂、更广泛的情况,需要做更多的额外工作。而对于某一个具体的应用程序来说,适合自身特定的内存分配释放模式的自定义内存池则可以获得更好的性能。
应用程序可以通过系统的内存分配调用预先一次性申请适当大小的内存作为一个内存池,之后应用程序自己对内存的分配和释放则可以通过这个内存池来完成。只有当内存池大小需要动态扩展时,才需要再调用系统的内存分配函数,其他时间对内存的一切操作都在应用程序的掌控之中。
从线程安全的角度来分,内存池可以分为单线程内存池和多线程内存池。单线程内存池整个生命周期只被一个线程使用,因而不需要考虑互斥访问的问题;多线程内存池有可能被多个线程共享,因此则需要在每次分配和释放内存时加锁。相对而言,单线程内存池性能更高,而多线程内存池适用范围更广。
从内存池可分配内存单元大小来分,可以分为固定内存池和可变内存池。所谓固定内存池是指应用程序每次从内存池中分配出来的内存单元大小事先已经确定,是固定不变的;而可变内存池则每次分配的内存单元大小可以按需变化,应用范围更广,而性能比固定内存池要低。
固定内存池由一系列固定大小的内存块组成,每一个内存块又包含了固定数量和大小的内存单元。
该内存池一共包含4个内存块。在内存池初次生成时,只向系统申请了一个内存块,返回的指针作为整个内存池的头指针。之后随着应用程序对内存的不断需求,内存池判断需要动态扩大时,才再次向系统申请新的内存块,并把所有这些内存块通过指针链接起来。对于操作系统来说,它已经为该应用程序分配了4个等大小的内存块。由于是大小固定的,所以分配的速度比较快;而对于应用程序来说,其内存池开辟了一定大小,内存池内部却还有剩余的空间。
放大来看第4个内存块,其中包含一部分内存池块头信息和3个大小相等的内存池单元。单元1和单元3是空闲的,单元2已经分配。当应用程序需要通过该内存池分配一个单元大小的内存时,只需要简单遍历所有的内存池块头信息,快速定位到还有空闲单元的那个内存池块。然后根据该块的块头信息直接定位到第1个空闲的单元地址,把这个地址返回,并且标记下一个空闲单元即可;当应用程序释放某一个内存池单元时,直接在对应的内存池块头信息中标记该内存单元为空闲单元即可。