一、背景

C/C++下内存管理是程序开发过程中需要重点关注的问题，如分配足够的内存、追踪内存的分配、在不需要的时候释放内存。而直接使用系统调用malloc/free、new/delete进行内存分配和释放，有以下弊端：

1. 调用malloc/new,系统需要根据“最先匹配”、“最优匹配”或其他算法在内存空闲块表中查找一块空闲内存，调用free/delete,系统可能需要合并空闲内存块，这些会产生额外开销
2. 频繁使用时会产生大量内存碎片，从而降低程序运行效率
3. 容易造成内存泄漏

内存池（memory pool)是代替直接调用malloc/free、new/delete进行内存管理的常用方法，当我们申请内存空间时，首先到我们的内存池中查找合适的内存块，而不是直接向操作系统申请，优势在于：

1. 比malloc/free进行内存申请/释放的方式快
2. 不会产生或很少产生堆碎片
3. 可避免内存泄漏

二、内存池实现方案

首先给出该方案的整体架构，如下：

图1 内存池架构图

结构中主要包含block、list 和pool这三个结构体，block结构包含指向实际内存空间的指针，前向和后向指针让block能够组成双向链表；list结构中free指针指向空闲 内存块组成的链表，used指针指向程序使用中的内存块组成的链表，size值为内存块的大小，list之间组成单向链表；pool结构记录list链表的头和尾。

三、方案策略

1. 内存跟踪策略

该方案中，在进行内存分配时，将多申请12个字节，即实际申请的内存大小为所需内存大小+12。在多申请的12个字节中，分别存放对应的list指针（4字节）、used指针（4字节）和校验码（4字节）。通过这样设定，我们很容易得到该块内存所在的list和block，校验码起到粗略检查是否出错的作用。该结构图示如下：

图2 内存块申请示意图

图中箭头指示的位置为内存块真正开始的位置。

2. 内存申请和释放策略

申请：根据所申请内存的大小，遍历list链表，查看是否存在相匹配的size；

　　　　存在匹配size：查看free时候为NULL

　　　　　　free为NULL：使用malloc/new申请内存，并将其置于used所指链表的尾部

　　　　　　free不为NULL：将free所指链表的头结点移除，放置于used所指链表的尾部

　　　　不存在匹配size：新建list，使用malloc/new申请内存，并将其置于该list的used所指链表尾部

　　　返回内存空间指针

释放：根据内存跟踪策略，获取list指针和used指针，将其从used指针所指的链表中删除，放置于free指针所指向的链表

四、方案特点

该方案有以下特点：

1. 程序启动后内存池并没有内存块，到程序真正进行内存申请和释放的时候才接管内存块管理；
2. 该内存池对到来的申请，对申请大小并不做限制，其为每个size值创建链表进行内存管理；
3. 该方案没有提供限定内存池大小的功能

结合分析，可以得出该方案应用场景如下：程序所申请的内存块大小比较固定（比如只申请/释放1024bytes或2048bytes的内存），申请和释放的频率基本保持一致（因申请多而释放少会占用过多内存，最终导致系统崩溃）。