实战项目：手把手带你实现一个高并发内存池

项目介绍

1.这个项目做的是什么？

当前项目是实现一个高并发的内存池，他的原型是google的一个开源项目tcmalloc，tcmalloc全称Thread-Caching Malloc，即线程缓存的malloc，实现了高效的多线程内存管理，用于替代系统的内存分配相关的函数（malloc、free）。

2.项目目标

模拟实现出一个自己的高并发内存池，在多线程环境下缓解了锁竞争问题，相比于malloc/free效率提高了25%左右，将内存碎片保持在10%左右。

内存池介绍

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。

内存池

内存池是指程序预先从操作系统申请一块足够大内存，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。

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角度，还需要解决一下内存碎片的问题。那么什么是内存碎片呢？

定长内存池

作为程序员(C/C++)我们知道申请内存使用的是malloc，malloc其实就是一个通用的大众货，什么场景下都可以用，但是什么场景下都可以用就意味着什么场景下都不会有很高的性能，下面我们就先来设计一个定长内存池做个开胃菜，当然这个定长内存池在我们后面的高并发内存池中也是有价值的，所以学习他目的有两层，先熟悉一下简单内存池是如何控制的，第二他会作为我们后面内存池的一个基础组件。

定长内存池之所以高效：是因为它可以切除固定大小的内存，供线程使用。还可以回收，线程释放的内存链接在自由链表中，供下一次线程申请内存使用。

代码展示

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <time.h>
#include <windows.h>
using std::cout;
using std::endl;
// 直接去堆上按页申请空间
inline static void* SystemAlloc(size_t kpage)
{
void* ptr = VirtualAlloc(0, kpage << 13, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE);
if (ptr == nullptr)
throw std::bad_alloc();
return ptr;
}
template<class T>
class ObjectPool
{
public:
T* New()
{
T* obj = nullptr;
// 优先把还回来内存块对象，再次重复利用
if (_freeList)
{
//头删
void* next = *((void**)_freeList);
//将链表的第一个空间给obj使用,freeList存的就是第一个小内存的地址
obj = (T*)_freeList;
_freeList = next;
}
else
{
// 剩余内存不够一个对象大小时，则重新开大块空间
if (_remainBytes < sizeof(T))
{
_remainBytes = 128 * 1024; //16页
//_memory = (char*)malloc(_remainBytes);
//SystemAlloc(x)直接向系统申请内存,x表示申请的页数
_memory = (char*)SystemAlloc(_remainBytes >> 13); //申请16页
if (_memory == nullptr)
{
throw std::bad_alloc();
}
}
obj = (T*)_memory;
//一个对象的大小 ，小于指针大小，就给一个指针大小
size_t objSize = sizeof(T) < sizeof(void*) ?
sizeof(void*) : sizeof(T);
_memory += objSize; //指针往后走一个小块空间
_remainBytes -= objSize; //每用一小块空间，剩余空间更新
}
// 定位new，显示调用T的构造函数初始化
new(obj)T;
return obj;
}
void Delete(T* obj)
{
// 显示调用析构函数清理对象
obj->~T();
// 头插，将不用的小块空间，插入自由链表中
*(void**)obj = _freeList; //*(void**) 解引用拿到 void*,在32/64位下大小为 4/8
_freeList = obj;
}
private:
char* _memory = nullptr; // 指向大块内存的指针(向系统申请的大块内存)
size_t _remainBytes = 0; // 大块内存在切分过程中剩余字节数
void* _freeList = nullptr; // 还回来过程中链接的自由链表的头指针
};
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 = 100000;
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);
ObjectPool<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;
}

效果演示

可以看出，使用定长内存池，率率比使用malloc申请空间要高的多。

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高并发内存池整体框架设计

现代很多的开发环境都是多核多线程，在申请内存的场景下，必然存在激烈的锁竞争问题。malloc本身其实已经很优秀，那么我们项目的原型tcmalloc就是在多线程高并发的场景下更胜一筹，所以这次我们实现的内存池需要考虑以下几方面的问题。

1. 性能问题。

2. 多线程环境下，锁竞争问题。

3. 内存碎片问题。

thread cache：线程缓存是每个线程独有的，用于小于256KB的内存的分配，线程从这里申请内存不需要加锁，每个线程独享一个cache，这也就是这个并发线程池高效的地方。

central cache：中心缓存是所有线程所共享，thread cache是按需从central cache中获取的对象。central cache合适的时机回收thread cache中的对象，避免一个线程占用了太多的内存，而其他线程的内存吃紧，达到内存分配在多个线程中更均衡的按需调度的目的。central cache是存在竞争的，所以从这里取内存对象是需要加锁，首先这里用的是桶锁，其次只有thread cache的没有内存对象时才会找central cache，所以这里竞争不会很激烈。

page cache：页缓存是在central cache缓存上面的一层缓存，存储的内存是以页为单位存储及分配的，central cache没有内存对象时，从page cache分配出一定数量的page，并切割成定长大小的小块内存，分配给central cache。当一个span的几个跨度页的对象都回收以后，page cache会回收central cache满足条件的span对象，并且合并相邻的页，组成更大的页，缓解内存碎片的问题。

高并发内存池–thread cache

thread cache是哈希桶结构，每个桶是一个按桶位置映射大小的内存块对象的自由链表。每个线程都会有一个thread cache对象，这样每个线程在这里获取对象和释放对象时是无锁的。

申请内存：

1. 当内存申请size<=256KB，先获取到线程本地存储的thread cache对象，计算size映射的哈希桶自由链表下标i。
2. 如果自由链表_freeLists[i]中有对象，则直接Pop一个内存对象返回。
3. 如果_freeLists[i]中没有对象时，则批量从central cache中获取一定数量的对象，插入到自由链表并返回一个对象。

释放内存：

4. 当释放内存小于256k时将内存释放回thread cache，计算size映射自由链表桶位置i，将对象Push到_freeLists[i]。

5. 当链表的长度过长，则回收一部分内存对象到central cache。

如何保证线程可以创建属于自己的thread cache?

线程局部存储（TLS），是一种变量的存储方法，这个变量在它所在的线程内是全局可访问的，但是不能被其他线程访问到，这样就保持了数据的线程独立性。而熟知的全局变量，是所有线程都可以访问的，这样就不可避免需要锁来控制，增加了控制成本和代码复杂度。

thread cache代码框架：

#pragma once
#include "Common.h"
class ThreadCache
{
public:
// 申请和释放内存对象
void* Allocate(size_t size);
void Deallocate(void* ptr, size_t size);
// 从中心缓存获取对象
void* FetchFromCentralCache(size_t index, size_t size);
// 释放对象时，链表过长时，回收内存回到中心缓存
void ListTooLong(FreeList& list, size_t size);
private:
FreeList _freeLists[NFREELIST];
};
// TLS thread local storage（线程本地存储，每个线程都有自己的线程本地存储）
//有了TLS,线程来访问就不需要加锁了，被static修饰，只在当前文件可见
static _declspec(thread) ThreadCache* pTLSThreadCache = nullptr;
// 管理切分好的小对象的自由链表
class FreeList
{
public:
void Push(void* obj)
{
assert(obj);
// 头插
//*(void**)obj = _freeList; //*(void**)obj取obj头上4个或8个字节指向_freeList
NextObj(obj) = _freeList;
_freeList = obj;
++_size;
}
void PushRange(void* start, void* end, size_t n)
{
NextObj(end) = _freeList;
_freeList = start;
// 测试验证+条件断点
/*int i = 0;
void* cur = start;
while (cur)
{
cur = NextObj(cur);
++i;
}
if (n != i)
{
int x = 0;
}*/
_size += n;
}
void PopRange(void*& start, void*& end, size_t n)
{
assert(n >= _size);
start = _freeList;
end = start;
for (size_t i = 0; i < n - 1; ++i)
{
end = NextObj(end);
}
_freeList = NextObj(end);
NextObj(end) = nullptr;
_size -= n;
}
void* Pop()
{
assert(_freeList);
// 头删
void* obj = _freeList;
_freeList = NextObj(obj);
--_size;
return obj;
}
bool Empty()
{
return _freeList == nullptr;
}
size_t& MaxSize()
{
return _maxSize;
}
size_t Size()
{
return _size;
}
private:
void* _freeList = nullptr;
size_t _maxSize = 1;
size_t _size = 0;
};

自由链表的哈希桶跟对象大小的映射关系

// 计算对象大小的对齐映射规则
class SizeClass
{
public:
// 整体控制在最多10%左右的内碎片浪费
// [1,128] 8byte对齐 freelist[0,16)
//假设需要129字节，会分配给你144字节给你，就有15字节的浪费 15/144=0.104
// [128+1,1024] 16byte对齐 freelist[16,72)
//假设需要1025个字节，会分配给你1152字节给你，就有127字节的浪费 127/1152=0.11
// [1024+1,8*1024] 128byte对齐 freelist[72,128)
// [8*1024+1,64*1024] 1024byte对齐 freelist[128,184)
// [64*1024+1,256*1024] 8*1024byte对齐 freelist[184,208)
/*size_t _RoundUp(size_t size, size_t alignNum)
{
size_t alignSize;
if (size % alignNum != 0)
{
alignSize = (size / alignNum + 1)*alignNum;
}
else
{
alignSize = size;
}
return alignSize;
}*/
// 1-8
static inline size_t _RoundUp(size_t bytes, size_t alignNum)
{
return ((bytes + alignNum - 1) & ~(alignNum - 1));
}
static inline size_t RoundUp(size_t size)
{
if (size <= 128)
{
return _RoundUp(size, 8);
}
else if (size <= 1024)
{
return _RoundUp(size, 16);
}
else if (size <= 8*1024)
{
return _RoundUp(size, 128);
}
else if (size <= 64*1024)
{
return _RoundUp(size, 1024);
}
else if (size <= 256 * 1024)
{
return _RoundUp(size, 8*1024);
}
else //>256KB
{
return _RoundUp(size, 1<<PAGE_SHIFT);
}
}
static inline size_t _Index(size_t bytes, size_t align_shift)
{
return ((bytes + (1 << align_shift) - 1) >> align_shift) - 1;
}
// 计算映射的哪一个自由链表桶
static inline size_t Index(size_t bytes)
{
assert(bytes <= MAX_BYTES);
// 每个区间有多少个链
static int group_array[4] = { 16, 56, 56, 56 };
if (bytes <= 128){
return _Index(bytes, 3);
}
else if (bytes <= 1024){
return _Index(bytes - 128, 4) + group_array[0];
}
else if (bytes <= 8 * 1024){
return _Index(bytes - 1024, 7) + group_array[1] + group_array[0];
}
else if (bytes <= 64 * 1024){
return _Index(bytes - 8 * 1024, 10) + group_array[2] + group_array[1] + group_array[0];
}
else if (bytes <= 256 * 1024){
return _Index(bytes - 64 * 1024, 13) + group_array[3] + group_array[2] + group_array[1] + group_array[0];
}
else{
assert(false);
}
return -1;
}