用 C 语言编写您自己的内存池分配器-C++-PHP中文网

Writing Your Own Memory Pool Allocator in C

用 C 语言编写您自己的内存池分配器：分步指南

在 C 语言中，动态内存管理是开发高效软件的一个重要方面，特别是在性能关键型应用程序中。虽然标准库中的 malloc() 和 free() 等函数很常用，但它们会带来开销和限制，例如频繁调用时会产生碎片和较慢的分配时间。解决这些问题的一种方法是创建一个内存池分配器。

在这篇博客中，我们将介绍如何用 C 从头开始编写一个简单的内存池分配器。通过使用内存池，我们可以预先分配大块内存并手动管理它，减少碎片并提高内存分配性能。

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什么是内存池分配器？

内存池分配器是一种自定义内存管理策略，其中预先分配大块内存，并根据需要将较小的内存块分发给程序。当不再需要内存时，会将其返回到池中以供重复使用。与直接使用 malloc() 和 free() 相比，这种方法可以实现更快的分配和释放，以及更好的内存利用率。

基本内存池的工作原理如下：

预先分配一大块内存。
将这个块分成更小的块（块）。
跟踪空闲列表中未使用的块。
当请求一个块时，从池中分配它并将其返回给调用者。
当一个块被释放时，将其返回到池中。

步骤一：定义内存池结构

我们将从为内存池及其中的块定义一个简单的结构开始。每个块都会有一个指向空闲列表中下一个块的指针，这使我们能够快速分配和释放内存。

#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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在此代码中：

POOL_SIZE 是内存池的总大小。我们将分配一个静态数组来模拟池。
Block 结构代表单个内存块，它包含一个指针 (next)，将其链接到空闲列表中的下一个块。
MemoryPool 结构包含 freeList 指针（跟踪空闲块）和一个保存实际预分配内存的池数组。

第2步：初始化内存池

为了初始化内存池，我们需要将内存池划分为块并设置空闲列表。每个块应该指向下一个空闲块。

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：

我们初始化 freeList 以指向池的开头。
然后我们循环遍历池，将每个块的下一个指针设置为内存中的下一个指针。
最后，最后一个块指向NULL，表示空闲列表的结束。

步骤 3：从池中分配内存

要分配内存，我们需要从空闲列表中获取第一个可用块。一旦我们分配了一个块，我们就把它从空闲列表中删除。

#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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此函数检查空闲列表是否为空。如果没有，它将获取第一个空闲块，将其从空闲列表中删除，并将其返回给调用者。

第 4 步：释放内存并将其添加回池中

当内存被释放时，我们将该块返回到空闲列表。这使得它可以在未来的分配中重复使用。

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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在这里，我们将释放的块添加到空闲列表的前面，方法是将其下一个指针设置为空闲列表中当前的第一个块。这使得该块可以在将来重复使用。

第 5 步：用法示例

现在我们已经拥有了所有必要的功能，让我们将所有内容放在一起并测试我们的内存池分配器。

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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在此示例中：

我们使用 initMemoryPool() 初始化内存池。
然后我们使用 allocateMemory() 分配两个块。
最后，我们使用 freeMemory() 释放块。

当您运行此程序时，您应该看到类似于以下内容的输出：

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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