纯代码解析 C++内存池的简单原理及实现 _C++

一、为什么需要使用内存池在C/C++中我们通常使用malloc,free或new,delete来动态分配内存。
一方面，因为这些函数涉及到了系统调用，所以频繁的调用必然会导致程序性能的损耗；
另一方面，频繁的分配和释放小块内存会导致大量的内存碎片的产生，当碎片积累到一定的量之后，将无法分配到连续的内存空间，系统不得不进行碎片整理来满足分配到连续的空间，这样不仅会导致系统性能损耗，而且会导致程序对内存的利用率低下。
当然，如果我们的程序不需要频繁的分配和释放小块内存，那就没有使用内存池的必要，直接使用malloc,free或new,delete函数即可。
二、内存池的实现方案内存池的实现原理大致如下：
提前申请一块大内存由内存池自己管理，并分成小片供给程序使用。程序使用完之后将内存归还到内存池中（并没有真正的从系统释放），当程序再次从内存池中请求内存时，内存池将池子中的可用内存片返回给程序使用。
我们在设计内存池的实现方案时，需要考虑到以下问题：
内存池是否可以自动增长？
如果内存池的最大空间是固定的（也就是非自动增长），那么当内存池中的内存被请求完之后，程序就无法再次从内存池请求到内存。所以需要根据程序对内存的实际使用情况来确定是否需要自动增长。
内存池的总内存占用是否只增不减？
如果内存池是自动增长的，就涉及到了“内存池的总内存占用是否是只增不减”这个问题了。试想，程序从一个自动增长的内存池中请求了1000个大小为100KB的内存片，并在使用完之后全部归还给了内存池，而且假设程序之后的逻辑最多之后请求10个100KB的内存片，那么该内存池中的900个100KB的内存片就一直处于闲置状态，程序的内存占用就一直不会降下来。对内存占用大小有要求的程序需要考虑到这一点。
内存池中内存片的大小是否固定？
如果每次从内存池中的请求的内存片的大小如果不固定，那么内存池中的每个可用内存片的大小就不一致，程序再次请求内存片的时候，内存池就需要在“匹配最佳大小的内存片”和“匹配操作时间”上作出衡量。“最佳大小的内存片”虽然可以减少内存的浪费，但可能会导致“匹配时间”变长。
内存池是否是线程安全的？
是否允许在多个线程中同时从同一个内存池中请求和归还内存片？这个线程安全可以由内存池来实现，也可以由使用者来保证。
内存片分配出去之前和归还到内存池之后，其中的内容是否需要被清除？
程序可能出现将内存片归还给内存池之后，仍然使用内存片的地址指针进行内存读写操作，这样就会导致不可预期的结果。将内容清零只能尽量的（也不一定能）将问题抛出来，但并不能解决任何问题，而且将内容清零会消耗一定的CPU时间。所以，最终最好还是需要由内存池的使用者来保证这种安全性。
是否兼容std::allocator？
STL标准库中的大多类都支持用户提供一个自定义的内存分配器，默认使用的是std::allocator ，如std::string：
typedef basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> > string;
如果我们的内存池兼容std::allocator ，那么我们就可以使用我们自己的内存池来替换默认的std::allocator分配器，如：
typedef basic_string<char, char_traits<char>, MemoryPoll<char> > mystring;

三、内存池的具体实现计划实现一个内存池管理的类MemoryPool ，它具有如下特性：

内存池的总大小自动增长。
内存池中内存片的大小固定。
支持线程安全。
在内存片被归还之后，清除其中的内容。
兼容std::allocator 。

因为内存池的内存片的大小是固定的，不涉及到需要匹配最合适大小的内存片，由于会频繁的进行插入、移除的操作，但查找比较少，故选用链表数据结构来管理内存池中的内存片。
MemoryPool中有2个链表，它们都是双向链表（设计成双向链表主要是为了在移除指定元素时，能够快速定位该元素的前后元素，从而在该元素被移除后，将其前后元素连接起来，保证链表的完整性）：