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 { … };

void func()
{
boost::object_pool<X> 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：

template <typename T, typename UserAllocator>
object_pool<T, UserAllocator>::~object_pool()
{
// handle trivial case
if (!this->list.valid())
return;

details::PODptr<size_type> iter = this->list;
details::PODptr<size_type> next = iter;

// Start ’freed_iter’ at beginning of free list
void * 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 block
for (char * i = iter.begin(); i != iter.end(); i += partition_size)
{
// If this chunk is free
if (i == freed_iter)
{
// Increment freed_iter to point to next in free list
freed_iter = nextof(freed_iter);

// Continue searching chunks in the memory block
continue;
}

// 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();
}

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）。