C++記憶體管理變革(4): boost::object_pool

許式偉 ()
2007-4-21

這篇文章拖的有點久了。NeutralEvil 在3個月之前就在催促我繼續寫了。只是出於WinxGui完整性的考慮，我一直在刻意優先去補充其它方面的文章，而不是讓人去誤會WinxGui是一個記憶體管理庫了。:)

言歸正傳。我們在記憶體池(MemPool)技術詳解已經介紹了boost::pool元件。從記憶體管理觀念的變革來看，這是是一個傳統的MemPool元件，儘管也有一定的改進（但只是效能上的改進）。但boost::object_pool不同，它與我在C++記憶體管理變革強調的觀念非常吻合。可以認為，boost::object_pool是一種不通用的gc allocator元件。

我已經多次提出的概念。這裡仍然需要強調一下，所謂gc allocator，是指具垃圾回收能力的allocator。C++記憶體管理變革(1) 中我們引入了這個概念，但是沒有明確gc allocator一詞。

boost::object_pool記憶體管理觀念

boost::object_pool的了不起之處在於，這是C++從庫的層次上頭一次承認，程式設計師在記憶體管理上是會犯錯誤的，由程式設計師來確保記憶體不洩漏是困難的。boost::object_pool允許你忘記釋放記憶體。我們來看一個例子：

class X { … };void func()
    {
        boost::object_pool

如果boost::object_pool只是一個普通的allocator，那麼這段程式碼顯然存在問題，因為obj1的解構函式沒有執行，申請的記憶體也沒有釋放。

但是這段程式碼是完全正常的。是的，obj1的析構確實執行了，所申請記憶體也被釋放了。這就是說，boost::object_pool既支援你手工釋放記憶體（通過主動呼叫object_pool::destroy），也支援記憶體的自動回收（通過object_pool::~object_pool析構的執行）。這正符合gc allocator的規格。

注：記憶體管理更好的說法是物件管理。記憶體的申請和釋放更確切的說是物件的建立和銷燬。但是這裡我們不刻意區分這兩者的差異。

boost::object_pool與AutoFreeAlloc

我們知道，AutoFreeAlloc不支援手工釋放，而只能等到AutoFreeAlloc物件析構的時候一次性全部釋放記憶體。那麼，是否可以認為boost::object_pool是否比AutoFreeAlloc更加完備呢？

其實不然。boost::object_pool與AutoFreeAlloc都不是完整意義上的gc allocator。AutoFreeAlloc因為它只能一次性釋放，故此僅僅適用特定的用況。然而儘管AutoFreeAlloc不是普適的，但它是通用型的gc allocator。而boost::object_pool只能管理一種物件，並不是通用型的allocator，侷限性其實更強。

boost::object_pool的實現細節

大家對boost::object_pool應該已經有了一個總體的把握。現在，讓我們深入到object_pool的實現細節中去。

在記憶體池(MemPool)技術詳解中，我們介紹boost::pool元件時，特意提醒大家留意pool::ordered_malloc/ordered_free函式。事實上，boost::object_pool的malloc/construct, free/destroy函式呼叫了pool::ordered_malloc, ordered_free函式，而不是pool::malloc, free函式。

讓我們解釋下為什麼。

其實這其中的關鍵，在於object_pool要支援手工釋放記憶體和自動回收記憶體（並自動執行解構函式）兩種模式。如果沒有自動析構，那麼普通的MemPool就足夠了，也就不需要ordered_free。既然有自動回收，同時又存在手工釋放，那麼就需要區分記憶體塊（MemBlock）中哪些結點（Node）是自由記憶體結點（FreeNode），哪些結點是已經使用的。對於哪些已經是自由記憶體的結點，顯然不能再呼叫物件的解構函式。

我們來看看object_pool::~object_pool函式的實現：

template <typename T, typename UserAllocator>
object_pool<T, UserAllocator>::~object_pool()
{
  // handle trivial caseif (!this->list.valid())
    return;
 
  details::PODptr<size_type> iter =this->list;
  details::PODptr<size_type> next = iter;
 
  // Start ’freed_iter’ at beginning of free listvoid* freed_iter =this->first;
 
  const size_type partition_size =this->alloc_size();
 
  do
  {
    // increment next    next = next.next();
  
    // delete all contained objects that aren’t freed
  
    // Iterate ’i' through all chunks in the memory blockfor (char* i = iter.begin(); i != iter.end(); i += partition_size)
    {
      // If this chunk is freeif (i == freed_iter)
      {
        // Increment freed_iter to point to next in free list        freed_iter = nextof(freed_iter);
 
        // Continue searching chunks in the memory blockcontinue;
      }
  
      // This chunk is not free (allocated), so call its destructor      static_cast<T *>(static_cast<void*>(i))->~T();
      // and continue searching chunks in the memory block    }
  
    // free storage    UserAllocator::free(iter.begin());
  
    // increment iter    iter = next;
  } while (iter.valid());
  
  // Make the block list empty so that the inherited destructor doesn’t try to
  //  free it again.this->list.invalidate();
}

這段程式碼不難理解，object_pool遍歷所有申請的記憶體塊（MemBlock），並遍歷其中所有結點（Node），如果該結點不出現在自由記憶體結點（FreeNode）的列表（FreeNodeList）中，那麼，它就是使用者未主動釋放的結點，需要進行相應的析構操作。

現在你明白了，ordered_malloc是為了讓MemBlockList中的MemBlock有序，ordered_free是為了讓FreeNodeList中的所有FreeNode有序。而MemBlockList, FreeNodeList有序，是為了更快地檢測Node是自由的還是被使用的（這實際上是一個集合求交的流程，建議你看看std::set_intersection，它定義在STL的<algorithm>中）。

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