用 C 語言編寫您自己的記憶體池分配器-C++-PHP中文網

Writing Your Own Memory Pool Allocator in C

用 C 語言編寫您自己的記憶體池分配器：逐步指南

在 C 語言中，動態記憶體管理是開發高效軟體的重要方面，特別是在效能關鍵型應用程式中。雖然標準庫中的 malloc() 和 free() 等函數很常用，但它們會帶來開銷和限制，例如頻繁呼叫時會產生碎片和較慢的分配時間。解決這些問題的一種方法是建立一個記憶體池分配器。

在這篇部落格中，我們將介紹如何用 C 從頭開始寫一個簡單的記憶體池分配器。透過使用記憶體池，我們可以預先分配大塊記憶體並手動管理它，減少碎片並提高記憶體分配效能。

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什麼是記憶體池分配器？

記憶體池分配器是一種自訂記憶體管理策略，其中預先分配大塊內存，並根據需要將較小的記憶體區塊分發給程式。當不再需要記憶體時，會將其返回池中以供重複使用。與直接使用 malloc() 和 free() 相比，這種方法可以實現更快的分配和釋放，以及更好的記憶體利用率。

基本記憶體池的工作原理如下：

預先分配一大塊記憶體。
將這個塊分成更小的塊（塊）。
追蹤空閒清單中未使用的區塊。
當請求一個區塊時，從池中分配它並將其傳回給呼叫者。
當一個區塊被釋放時，將其返回到池中。

步驟一：定義記憶體池結構

我們將從為記憶體池及其中的區塊定義一個簡單的結構開始。每個區塊都會有一個指向空閒列表中下一個區塊的指針，這使我們能夠快速分配和釋放記憶體。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h>

#define POOL_SIZE 1024  // Total memory pool size

// Define a block structure with a pointer to the next free block
typedef struct Block {
    struct Block *next;
} Block;

// Define the MemoryPool structure
typedef struct {
    Block *freeList;
    unsigned char pool[POOL_SIZE]; // Pre-allocated pool
} MemoryPool;

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在此程式碼中：

POOL_SIZE 是記憶體池的總大小。我們將分配一個靜態數組來模擬池。
Block 結構代表單一記憶體區塊，它包含一個指標 (next)，將其連結到空閒清單中的下一個區塊。
MemoryPool 結構包含 freeList 指標（追蹤空閒區塊）和一個儲存實際預先分配記憶體的池數組。

步驟2：初始化記憶體池

為了初始化記憶體池，我們需要將記憶體池分割為區塊並設定空閒列表。每個區塊應該指向下一個空閒區塊。

void initMemoryPool(MemoryPool *pool) {
    pool->freeList = (Block *)pool->pool;
    Block *current = pool->freeList;

    // Create a free list of blocks
    for (int i = 0; i < (POOL_SIZE / sizeof(Block)) - 1; i++) {
        current->next = (Block *)((unsigned char *)current + sizeof(Block));
        current = current->next;
    }

    current->next = NULL; // Last block points to NULL
}

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在此功能中：

我們初始化 freeList 以指向池的開頭。
然後我們循環遍歷池，將每個區塊的下一個指標設定為記憶體中的下一個指標。
最後，最後一個區塊指向NULL，表示空閒清單的結束。

步驟 3：從池中分配記憶體

要分配內存，我們需要從空閒列表中取得第一個可用區塊。一旦我們分配了一個區塊，我們就把它從空閒清單中刪除。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h>

#define POOL_SIZE 1024  // Total memory pool size

// Define a block structure with a pointer to the next free block
typedef struct Block {
    struct Block *next;
} Block;

// Define the MemoryPool structure
typedef struct {
    Block *freeList;
    unsigned char pool[POOL_SIZE]; // Pre-allocated pool
} MemoryPool;

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此函數檢查空閒清單是否為空。如果沒有，它將獲取第一個空閒區塊，將其從空閒列表中刪除，並將其傳回給呼叫者。

第 4 步：釋放記憶體並將其添加回池中

當記憶體被釋放時，我們將該區塊傳回空閒清單。這使得它可以在未來的分配中重複使用。

void initMemoryPool(MemoryPool *pool) {
    pool->freeList = (Block *)pool->pool;
    Block *current = pool->freeList;

    // Create a free list of blocks
    for (int i = 0; i < (POOL_SIZE / sizeof(Block)) - 1; i++) {
        current->next = (Block *)((unsigned char *)current + sizeof(Block));
        current = current->next;
    }

    current->next = NULL; // Last block points to NULL
}

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在這裡，我們將釋放的區塊新增到空閒清單的前面，方法是將其下一個指標設定為空閒清單中目前的第一個區塊。這使得該區塊可以在將來重複使用。

第 5 步：用法範例

現在我們已經擁有了所有必要的功能，讓我們將所有內容放在一起並測試我們的記憶體池分配器。

void *allocateMemory(MemoryPool *pool) {
    if (pool->freeList == NULL) {
        printf("Memory pool exhausted!\n");
        return NULL;
    }

    // Get the first free block
    Block *block = pool->freeList;
    pool->freeList = block->next; // Move the free list pointer

    return (void *)block;
}

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在此範例中：

我們使用 initMemoryPool() 初始化記憶體池。
然後我們使用 allocateMemory() 來分配兩個區塊。
最後，我們使用 freeMemory() 釋放區塊。

當您執行此程式時，您應該會看到類似以下內容的輸出：

void freeMemory(MemoryPool *pool, void *ptr) {
    Block *block = (Block *)ptr;
    block->next = pool->freeList; // Add the block to the free list
    pool->freeList = block;
}

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