内存池通过预分配大块内存并复用以减少new/delete开销。其核心是管理连续内存区域，使用空闲链表跟踪可用块，适用于频繁创建销毁小对象的场景。固定大小内存池将内存划分为等长槽，分配时从链表取块，释放时回收至链表，实现高效。可通过placement new构造对象，析构后手动释放回池。多级内存池支持不同大小分配，但复杂度高，通常推荐组合多个固定池。内存池优势包括提升性能、降低碎片、增强缓存局部性，但需注意对齐、生命周期管理和线程安全。
在C++中，内存池是一种预先分配大块内存并按需从中分配小对象的技术，能有效减少频繁调用new/delete带来的性能开销和内存碎片。实现一个简单的内存池关键在于管理一块连续的内存区域，按固定大小或可变大小进行分配与回收。
内存池的基本原理
内存池启动时申请一大块内存，之后所有对象的分配都从这块内存中取出，释放时不归还给系统，而是放回池中以便复用。这种方式特别适合频繁创建销毁小对象的场景，比如游戏开发、网络服务器等。
固定大小内存池的实现思路
当所有分配请求的大小一致（如都是某个类的对象），可以使用固定大小内存池，实现更简单高效。
- 预分配一个大数组，划分为多个等大小的槽（slot）
- 维护一个空闲链表（free list），记录哪些槽可用
- 分配时从链表取一个节点，释放时将节点重新插入链表
示例代码：
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class FixedMemoryPool {
private:
struct Block {
Block* next;
};
char* pool; // 内存池起始地址
Block* free_list; // 空闲块链表
size_t block_size; // 每个块的大小
size_t pool_size; // 总块数
public:
FixedMemoryPool(size_t count, size_t size)
: block_size((size + sizeof(Block) - 1) / sizeof(Block) sizeof(Block)), // 对齐
pool_size(count),
pool(new char[count block_size]),
free_list(nullptr)
{
// 初始化空闲链表
for (int i = count - 1; i >= 0; --i) {
Block block = reinterpret_cast>(pool + i * block_size);
block->next = free_list;
free_list = block;
}
}
~FixedMemoryPool() {
delete[] pool;
}
void* allocate() {
if (!free_list) return nullptr;
Block* block = free_list;
free_list = free_list-youjiankuohaophpcnnext;
return block;
}
void deallocate(void* p) {
if (p) {
Block* block = static_castzuojiankuohaophpcnBlock*youjiankuohaophpcn(p);
block-youjiankuohaophpcnnext = free_list;
free_list = block;
}
}};
使用时可通过placement new在分配的内存上构造对象：
// 示例：为MyClass使用内存池
class MyClass {
public:
MyClass(int x) : val(x) {}
private:
int val;
};
// 分配
FixedMemoryPool pool(100, sizeof(MyClass));
MyClass* obj = new (pool.allocate()) MyClass(42);
// 析构并释放
obj->~MyClass();
pool.deallocate(obj);
通用内存池的简化设计
如果需要支持不同大小的分配，可以维护多个固定大小的内存池（分级分配），或者直接管理可变块（需记录元信息）。下面是一个简化的思路：
- 每个内存块前加一个头部，记录是否空闲和大小
- 分配时遍历找到合适空闲块
- 释放时合并相邻空闲块以减少碎片
这种设计接近malloc/free机制，但复杂度更高。对于大多数应用场景，推荐使用多个固定大小内存池组合的方式。
内存池的优势与注意事项
优势：
- 显著提升频繁分配/释放的性能
- 减少内存碎片
- 提高缓存局部性
注意事项：
- 不适用于生命周期差异大的对象
- 池内内存通常只在池销毁时统一释放，不能单独释放整块
- 注意内存对齐问题，确保对象能正确构造
- 多线程环境下需加锁保护
基本上就这些。一个简单的内存池不需要太复杂，关键是理解其核心思想——复用内存避免系统调用。根据实际需求选择固定大小或分级池，就能在性能和灵活性之间取得良好平衡。
