C语言内存池的使用场景和代码示例

2023-12-13 12:03:24

当然可以。在C语言中，内存池是一种用于管理内存分配的技术。使用内存池可以避免频繁地申请和释放内存，从而提高内存的使用效率，并减少内存碎片。内存池的使用场景主要包括需要频繁分配和释放相同大小的内存块的情况。下面是一个简单的C语言代码示例，演示了如何使用内存池：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define POOL_SIZE 100

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;

void *my_alloc(int size) {
    if (next_index + size > POOL_SIZE) {
        return NULL;
    }
    void *ptr = &pool[next_index];
    next_index += size;
    return ptr;
}

void my_free(void *ptr, int size) {
    // 不需要真正释放内存，只是将 next_index 回退到之前的位置
    next_index -= size;
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(POOL_SIZE * sizeof(TestStruct));
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
        my_free(obj, sizeof(TestStruct)); // 释放内存
    }
    free(pool); // 释放内存池
    return 0;
}

在上面的代码中，我们首先定义了一个结构体 TestStruct，它包含一个大小为100的整型数组。然后，我们定义了一个名为 pool 的内存池，大小为 POOL_SIZE（即100）个 TestStruct 对象。my_alloc 函数用于从内存池中分配内存，my_free 函数用于释放内存。在 main 函数中，我们循环10次，每次从内存池中分配一个 TestStruct 对象，并对其进行一些操作，然后释放该对象。最后，我们释放了整个内存池。
内存池的使用场景和用法非常灵活，可以根据具体的需求进行定制和扩展。以下是一些更高阶的用法：

动态调整内存池大小：
根据应用程序的需求，可以动态地增加或减少内存池的大小。这可以在内存使用量较高时提供额外的内存，或者在内存使用量较低时释放未使用的内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define POOL_SIZE 100

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;
int max_size = POOL_SIZE;

void *my_alloc(int size) {
    if (next_index + size > max_size) {
        max_size += POOL_SIZE; // 增加内存池大小
        pool = (TestStruct *)realloc(pool, max_size * sizeof(TestStruct));
        if (pool == NULL) {
            printf("Failed to resize memory pool\n");
            exit(1);
        }
    }
    void *ptr = &pool[next_index];
    next_index += size;
    return ptr;
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(POOL_SIZE * sizeof(TestStruct));
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    for (int i = 0; i < 100; i++) { // 分配100个对象，超过初始内存池大小
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
    }
    free(pool); // 释放内存池
    return 0;
}

自定义内存分配策略：
除了简单的按需分配和释放内存，还可以实现更复杂的内存分配策略，例如优先分配空闲内存块、按顺序分配内存块等。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;
int max_size = 100; // 初始内存池大小为100个对象

void *my_alloc(int size) {
    // 在这个示例中，我们使用轮询方式分配内存。
    // 下一个可用的内存块位置 next_index 将增加 size，如果超过了 max_size，则回到 0。
    next_index = (TestStruct*)ptr - &pool[0];
    void *ptr = &pool[next_index];
    return ptr;
}

void my_free(void *ptr, int size) {
    // 在这个示例中，我们不真正释放内存，只是将 next_index 回退到之前的位置。
    // 注意：根据自定义策略，可能需要释放内存或进行其他操作。此处为示例，未释放内存。
    next_index = (ptr - &pool[0]) / sizeof(TestStruct);
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(max_size * sizeof(TestStruct)); // 初始化内存池大小为100个对象，并分配内存空间。注意：实际使用时需要根据应用程序的需求进行初始化。此处为示例，未初始化内存池。
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    for (int i = 0; i < 100; i++) { // 分配100个对象，超过初始内存池大小
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
    }
    free(pool); // 释放内存池
    return 0;
}

内存池的并发访问：
在多线程环境中，可以使用锁或其他同步机制来保护内存池的并发访问。这样可以确保在多个线程同时请求内存时，不会发生数据竞争或死锁。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;
int max_size = 100; // 初始内存池大小为100个对象
pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁

void *my_alloc(int size) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    void *ptr = &pool[next_index];
    next_index += size;
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    return ptr;
}

void my_free(void *ptr, int size) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    next_index = (TestStruct*)ptr - &pool[0];
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
}

void *worker(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100; i++) { // 分配100个对象，超过初始内存池大小
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(max_size * sizeof(TestStruct)); // 初始化内存池大小为100个对象，并分配内存空间。注意：实际使用时需要根据应用程序的需求进行初始化。此处为示例，未初始化内存池。
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, worker, NULL); // 创建线程1，并发访问内存池
    pthread_create(&thread2, NULL, worker, NULL); // 创建线程2，并发访问内存池
    pthread_join(thread1, NULL); // 等待线程1结束
    pthread_join(thread2, NULL); // 等待线程2结束
    free(pool); // 释放内存池和互斥锁
    return 0;
}

内存池的扩展性：
通过将内存池设计为可扩展的，可以在应用程序需要时轻松地添加更多的内存池。这可以帮助应用程序更好地处理不断增加的内存需求。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;
int max_size = 100; // 初始内存池大小为100个对象
int curr_size = 0; // 当前已分配的对象数量

void *my_alloc(int size) {
    if (curr_size + size > max_size) {
        // 扩展内存池大小
        max_size += 100; // 每次扩展增加100个对象
        pool = (TestStruct *)realloc(pool, max_size * sizeof(TestStruct));
        if (pool == NULL) {
            printf("Failed to resize memory pool\n");
            exit(1);
        }
    }
    void *ptr = &pool[next_index];
    next_index += size;
    curr_size += size;
    return ptr;
}

void my_free(void *ptr, int size) {
    // 在这个示例中，我们不真正释放内存，只是将 next_index 和 curr_size 回退到之前的位置。
    // 注意：根据自定义策略，可能需要释放内存或进行其他操作。此处为示例，未释放内存。
    next_index = (TestStruct*)ptr - &pool[0];
    curr_size -= size;
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(max_size * sizeof(TestStruct)); // 初始化内存池大小为100个对象，并分配内存空间。注意：实际使用时需要根据应用程序的需求进行初始化。此处为示例，未初始化内存池。
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    for (int i = 0; i < 200; i++) { // 分配200个对象，超过初始内存池大小，触发内存池扩展
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
    }
    free(pool); // 释放内存池和互斥锁（如果有的话）
    return 0;
}

内存池的调试和监控：
可以通过实现调试和监控功能来帮助发现内存池中的问题。例如，可以记录每个内存块的分配和释放时间、分配大小等信息，以便在出现问题时进行排查和定位。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int data[100];
} TestStruct;

TestStruct *pool;
int next_index = 0;
int max_size = 100; // 初始内存池大小为100个对象
int curr_size = 0; // 当前已分配的对象数量

void *my_alloc(int size) {
    void *ptr = &pool[next_index];
    next_index += size;
    curr_size += size;
    return ptr;
}

void my_free(void *ptr, int size) {
    next_index = (TestStruct*)ptr - &pool[0];
    curr_size -= size;
}

void print_pool_info() {
    printf("Memory pool info:\n");
    printf("Next index: %d\n", next_index);
    printf("Max size: %d\n", max_size);
    printf("Current size: %d\n", curr_size);
}

int main() {
    pool = (TestStruct *)malloc(max_size * sizeof(TestStruct)); // 初始化内存池大小为100个对象，并分配内存空间。注意：实际使用时需要根据应用程序的需求进行初始化。此处为示例，未初始化内存池。
    if (pool == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory for pool\n");
        return -1;
    }
    print_pool_info(); // 打印初始内存池信息
    for (int i = 0; i < 200; i++) { // 分配200个对象，超过初始内存池大小，触发内存池扩展
        TestStruct *obj = (TestStruct *)my_alloc(sizeof(TestStruct));
        if (obj == NULL) {
            printf("Failed to allocate memory from pool\n");
            break;
        }
        // 使用 obj...
        // ...
    }
    print_pool_info(); // 打印扩展后的内存池信息
    free(pool); // 释放内存池和互斥锁（如果有的话）
    return 0;
}

总之，内存池是一种非常有用的技术，可以用于优化内存管理并提高应用程序的性能。通过掌握更高阶的用法，可以更好地应对各种复杂的内存管理需求。

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_34399969/article/details/134965711
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