高性能无锁(Lock-free) 内存池

由于懒惰，一直脱到现在才完成，实在是罪过啊！很快会用它来改写我的无锁容器，嗯，如果我不懒惰的话。

稍微解释一下关键问题：

先分配一块内存，然后将内存划分为等大的内存格。每次调用 alloc 就分配一块内存格出去。

可分配内存是个链表，这个链表被直接贮存在未分配的内存里。换句话说，未被分配的内存格里存放了一个指针，这个指针指向下一个未被分配的空闲内存格。

另外，为了我们分配的内存可以被正确释放，还需要一个链表来贮存我们分配的内存列表，这里我把这个链表贮存在我们分配的内存首部。也就是每块分配的内存，前几个字节保存了下一块内存的指针。

我们通过 cas 争用的一个指针指向了链表头，分配内存的过程就是从链表头摘取一个内存格，而释放的过程就是在链表头挂上内存格（注意，都是链表头，因此只需要争用一个指针）。

设计上希望代码支持 64 位，考虑到64位指针本身就是64位，但是当前系统最高应该只使用了 48位，因此使用剩下的部分来作为 ABA 计数。如果你的程序没有使用 256T 以上就应该没有问题吧，嗯——大概。

内存池的初始大小最好是够大，如果在中途分配，可能由于几个线程同时进程分配内存而一下子分配好几块，由于串联可分配内存的操作是比较费时的，为了节约，我把他们全挂上了，如果你希望节约内存的分配量，可以牺牲 cpu时间，放弃多分配的内存。

这个很快会作为一个库的一个组件发布，这个库暂时被命名为 lugce, 谁有更好的名字可以推荐不？呵呵

照例发表源码：

/*
* Copyright (C) 2010  Chen Wang ( China )
* Email: jadedrip@gmail.com
*
* This library is free software; you can redistribute it and/or
* modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
* License as published by the Free Software Foundation; either
* version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
*
* This library is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
* Lesser General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
* License along with this library; if not, write to the Free Software
* Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
*/
#pragma once
#include <exception>
#include "lockfree.hpp"
#if !defined(_MSC_VER) || (_MSC_VER < 1600)
#	define nullptr NULL
#endif
namespace lugce
{
namespace lockfree
{
template< typename T, int blocksize=255 >
class memory_pool
{
static const int objsize= sizeof(T) < sizeof(intptr_t) ? sizeof(intptr_t) : sizeof(T);
static const int64 aba_inc	=0x0001000000000000LL;	// ABA 计数每次需要增加的值
static const int64 aba_mark	=0xFFFF000000000000LL;	// ABA Mark
static const int64 ptr_mark	=0x0000FFFFFFFFFFFFLL;		// 指针 Mark
public:
memory_pool()
{
char *block=tadem_block();
_first_block=block;
_free_head.data=reinterpret_cast<intptr_t>(block)+sizeof(intptr_t)+objsize;	// 指向链表头
}
~memory_pool()
{
// 释放内存块
char * next=_first_block;
do{
char *p=next;
intptr_t x=*(intptr_t*)p;
next=(char*)x;
delete[] p;
}while(next);
}
public:
/// 申请内存，返回一个指向新内存的指针
T* alloc()
{
/// 尝试从堆栈中弹出一个空闲索引
atomic_int64 nval;
atomic_int64 old;
for(;;){
old=_free_head;
assert( (_free_head.data & ptr_mark) > 0x10000 );
intptr_t *next=reinterpret_cast<intptr_t*>( _free_head.data & ptr_mark );	// 指向下一块空闲单位的指针
if( *next==0 ){	// 没有空闲，需要创建新块
// 创建新块
create_new_block();
continue;
}
nval.data=( (old.data + aba_inc)  & aba_mark);
nval.data|=int64(*next);	// ABA 计数
//assert( (nval.data & ptr_mark) > 0x10000 );
if( atomic_cas( &_free_head, old.data, nval.data  ) )
break;
};
return reinterpret_cast<T*>(old.data & ptr_mark);
}
void free( const T* ptr )
{
intptr_t *p=(intptr_t*)ptr;
atomic_int64 nval;
atomic_int64 old;
// 尝试将其放回链表
do{
old=_free_head;
*p=(intptr_t)(old.data & ptr_mark);	// 把内容改为下一个空闲索引
assert(*p > 10000);
nval.data=((old.data + aba_inc) & aba_mark) | (intptr_t)ptr;
assert( (nval.data & ptr_mark) > 0x10000 );
}while( !atomic_cas(&_free_head, old.data, nval.data) );
}
private:
/// 创建新的内存块
void create_new_block()
{
char *block=tadem_block();	// 分配内存
atomic_intptr_t *p=(atomic_intptr_t*)_first_block;
// 尝试挂接到内存块链表
while( !atomic_cas( p, 0, intptr_t(block) ) ){
p=(atomic_intptr_t*)(p->data);	// 移动到链表下一位
}
p=(atomic_intptr_t*)( block+sizeof(intptr_t) );	// 让 p 指向链表尾部
// 尝试挂接到空闲内存栈头上
atomic_int64 old;
atomic_int64 nval;
do{
old=_free_head;
p->data=intptr_t(old.data & ptr_mark);		// 让链表尾指向当前尾
intptr_t x=*(intptr_t*)(p->data);
assert( x==0 || x > 10000 );
assert(p->data>10000);
nval.data= ( (old.data + aba_inc) & aba_mark) | reinterpret_cast<int64>(block+sizeof(intptr_t)+objsize);	// 新的下块空闲指向本块
assert( (nval.data & ptr_mark) > 0x10000 );
} while( !atomic_cas(&_free_head, old.data, nval.data ) );
}
/// 创建新内存块，并将内存串联为链表
char* tadem_block()
{
char *block=new char[blocksize * objsize+sizeof(intptr_t)];	// 准备一块内存，注意 new 可能抛出异常
char *p=block;
*reinterpret_cast<intptr_t*>(p)=0;	// 内存的头是对齐的，我们用来保存下一块内存的地址，以构建内存块链表（用来内存池析构时释放内存块）
p+=sizeof(intptr_t);
*reinterpret_cast<intptr_t*>(p)=0;	// 接下来的4个字节，同样是对齐的，作为链表的尾部
p+=objsize;
// 把这块内存做成链表
for( int32 i=0; i< blocksize-2; ++i ){
*reinterpret_cast<intptr_t*>(p)=reinterpret_cast<intptr_t>(p)+objsize;	// 内容成为指向下一块的空闲单元的指针
p+=objsize;
}
*reinterpret_cast<intptr_t*>(p)=reinterpret_cast<intptr_t>(block)+sizeof(intptr_t);		// 最后一块指向尾节点
return block;
}
private:
char * _first_block;
atomic_int64 _free_head;	// 下一个空闲块的索引
};
};
};