C++内存管理变革(4)：boost::object_pool与gc allocator

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C++内存管理变革(4): boost::object_pool

许式伟 (版权声明)
2007-4-21

这篇文章拖的有点久了。NeutralEvil 在3个月之前就在催促我继续写了。只是出于WinxGui完整性的考虑，我一直在刻意优先去补充其它方面的文章，而不是让人去误会WinxGui是一个内存管理库了。:)

言归正传。我们在内存池(MemPool)技术详解已经介绍了boost::pool组件。从内存管理观念的变革来看，这是是一个传统的MemPool组件，尽管也有一定的改进（但只是性能上的改进）。但boost::object_pool不同，它与我在C++内存管理变革强调的观念非常吻合。可以认为，boost::object_pool是一种不通用的gc allocator组件。

我已经多次提出gc allocator的概念。这里仍然需要强调一下，所谓gc allocator，是指具垃圾回收能力的allocator。C++内存管理变革(1)中我们引入了这个概念，但是没有明确gc allocator一词。

boost::object_pool内存管理观念

boost::object_pool的了不起之处在于，这是C++从库的层次上头一次承认，程序员在内存管理上是会犯错误的，由程序员来确保内存不泄漏是困难的。boost::object_pool允许你忘记释放内存。我们来看一个例子：

class X{…};

voidfunc()
{
boost::object_poolX>alloc;

X*obj1=alloc.construct();
X*obj2=alloc.construct();
alloc.destroy(obj2);
}

如果boost::object_pool只是一个普通的allocator，那么这段代码显然存在问题，因为obj1的析构函数没有执行，申请的内存也没有释放。

但是这段代码是完全正常的。是的，obj1的析构确实执行了，所申请内存也被释放了。这就是说，boost::object_pool既支持你手工释放内存（通过主动调用object_pool::destroy），也支持内存的自动回收（通过object_pool::~object_pool析构的执行）。这正符合gc allocator的规格。

注：内存管理更好的说法是对象管理。内存的申请和释放更确切的说是对象的创建和销毁。但是这里我们不刻意区分这两者的差异。

boost::object_pool与AutoFreeAlloc

我们知道，AutoFreeAlloc不支持手工释放，而只能等到AutoFreeAlloc对象析构的时候一次性全部释放内存。那么，是否可以认为boost::object_pool是否比AutoFreeAlloc更加完备呢？

其实不然。boost::object_pool与AutoFreeAlloc都不是完整意义上的gc allocator。AutoFreeAlloc因为它只能一次性释放，故此仅仅适用特定的用况。然而尽管AutoFreeAlloc不是普适的，但它是通用型的gc allocator。而boost::object_pool只能管理一种对象，并不是通用型的allocator，局限性其实更强。

boost::object_pool的实现细节

大家对boost::object_pool应该已经有了一个总体的把握。现在，让我们深入到object_pool的实现细节中去。

在内存池(MemPool)技术详解中，我们介绍boost::pool组件时，特意提醒大家留意pool::ordered_malloc/ordered_free函数。事实上，boost::object_pool的malloc/construct, free/destroy函数调用了pool::ordered_malloc, ordered_free函数，而不是pool::malloc, free函数。

让我们解释下为什么。

其实这其中的关键，在于object_pool要支持手工释放内存和自动回收内存（并自动执行析构函数）两种模式。如果没有自动析构，那么普通的MemPool就足够了，也就不需要ordered_free。既然有自动回收，同时又存在手工释放，那么就需要区分内存块（MemBlock）中哪些结点（Node）是自由内存结点（FreeNode），哪些结点是已经使用的。对于哪些已经是自由内存的结点，显然不能再调用对象的析构函数。

我们来看看object_pool::~object_pool函数的实现：

templatetypenameT,typenameUserAllocator>
object_poolT,UserAllocator>::~object_pool()
{
//handletrivialcase
if(!this->list.valid())
return;

details::PODptrsize_type>iter=this->list;
details::PODptrsize_type>next=iter;

//Start’freed_iter’atbeginningoffreelist
void*freed_iter=this->first;

constsize_typepartition_size=this->alloc_size();

do
{
//incrementnext
next=next.next();

//deleteallcontainedobjectsthataren’tfreed

//Iterate’i'throughallchunksinthememoryblock
for(char*i=iter.begin();i!=iter.end();i+=partition_size)
{
//Ifthischunkisfree
if(i==freed_iter)
{
//Incrementfreed_itertopointtonextinfreelist
freed_iter=nextof(freed_iter);

//Continuesearchingchunksinthememoryblock
continue;
}

//Thischunkisnotfree(allocated),socallitsdestructor
static_castT*>(static_castvoid*>(i))->~T();
//andcontinuesearchingchunksinthememoryblock
}

//freestorage
UserAllocator::free(iter.begin());

//incrementiter
iter=next;
}while(iter.valid());

//Maketheblocklistemptysothattheinheriteddestructordoesn’ttryto
//freeitagain.
this->list.invalidate();
}

这段代码不难理解，object_pool遍历所有申请的内存块（MemBlock），并遍历其中所有结点（Node），如果该结点不出现在自由内存结点（FreeNode）的列表（FreeNodeList）中，那么，它就是用户未主动释放的结点，需要进行相应的析构操作。

现在你明白了，ordered_malloc是为了让MemBlockList中的MemBlock有序，ordered_free是为了让FreeNodeList中的所有FreeNode有序。而MemBlockList, FreeNodeList有序，是为了更快地检测Node是自由的还是被使用的（这实际上是一个集合求交的流程，建议你看看std::set_intersection，它定义在STL的<algorithm>中）。</algorithm>

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