在C++編程的廣闊天地中，內(nèi)存管理堪稱一道至關(guān)重要卻又布滿荊棘的關(guān)卡。當(dāng)你精心雕琢代碼，滿心期待程序能如駿馬般奔騰馳騁時(shí)，內(nèi)存問題卻常常像暗中使絆的 “小怪獸”，讓程序的性能大打折扣。你是否曾在程序運(yùn)行過(guò)程中，眼睜睜看著內(nèi)存占用如失控的氣球般不斷膨脹，運(yùn)行速度卻越來(lái)越慢，最終陷入卡頓的泥沼？又是否在排查問題時(shí)，被復(fù)雜的內(nèi)存錯(cuò)誤信息折磨得焦頭爛額，卻始終找不到問題的根源？其實(shí)，這背后很大一部分原因，都與內(nèi)存碎片化脫不了干系。

傳統(tǒng)的 C++ 內(nèi)存管理方式，如使用new和delete操作符，看似簡(jiǎn)單直接，實(shí)則暗藏隱患。在程序頻繁地進(jìn)行內(nèi)存分配與釋放操作時(shí)，就如同在一塊原本平整的土地上隨意地挖坑、填坑，久而久之，土地變得坑洼不平，碎片化嚴(yán)重。這不僅導(dǎo)致內(nèi)存空間的浪費(fèi)，還使得后續(xù)的內(nèi)存分配操作變得困難重重，就像在崎嶇的山路上尋找一塊合適的平地建房一樣，效率極低。而此時(shí)，內(nèi)存池技術(shù)宛如一道曙光，照亮了 C++ 內(nèi)存管理的困境，為我們提供了一種高效、優(yōu)雅的解決方案。

內(nèi)存池，這個(gè)聽起來(lái)有些神秘的概念，究竟有著怎樣的魔力，能讓程序擺脫內(nèi)存碎片化的束縛，實(shí)現(xiàn)性能的飛躍呢？接下來(lái)，就讓我們一同深入探索 C++ 內(nèi)存池的奇妙世界，揭開它神秘的面紗，看看它是如何在內(nèi)存管理的舞臺(tái)上大顯身手，讓我們的程序 “輕裝上陣”，飛速奔跑的。

一、c++內(nèi)存池簡(jiǎn)介

內(nèi)存池是一種內(nèi)存分配方式，又被稱為固定大小區(qū)塊規(guī)劃（fixed-size-blocks allocation）。通常我們習(xí)慣直接使用new、malloc等API申請(qǐng)分配內(nèi)存，這樣做的缺點(diǎn)在于：由于所申請(qǐng)內(nèi)存塊的大小不定，當(dāng)頻繁使用時(shí)會(huì)造成大量的內(nèi)存碎片并進(jìn)而降低性能。

在內(nèi)核中有不少地方內(nèi)存分配不允許失敗，作為一個(gè)在這些情況下確保分配的方式，內(nèi)核開發(fā)者創(chuàng)建了一個(gè)已知為內(nèi)存池(或者是 "mempool" )的抽象， 一個(gè)內(nèi)存池真實(shí)地只是一類后備緩存，它盡力一直保持一個(gè)空閑內(nèi)存列表給緊急時(shí)使用。

1.1為什么要用內(nèi)存池？

C++程序默認(rèn)的內(nèi)存管理（new，delete，malloc，free）會(huì)頻繁地在堆上分配和釋放內(nèi)存，導(dǎo)致性能的損失，產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存的利用率。默認(rèn)的內(nèi)存管理因?yàn)楸辉O(shè)計(jì)的比較通用，所以在性能上并不能做到極致。因此，很多時(shí)候需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)專用內(nèi)存管理器，便于針對(duì)特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和使用場(chǎng)合的內(nèi)存管理，比如：內(nèi)存池。

(1)內(nèi)存碎片問題

造成堆利用率很低的一個(gè)主要原因就是內(nèi)存碎片化。如果有未使用的存儲(chǔ)器，但是這塊存儲(chǔ)器不能用來(lái)滿足分配的請(qǐng)求，這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片化問題。內(nèi)存碎片化分為內(nèi)部碎片和外部碎片。

• 內(nèi)碎片：內(nèi)部碎片是指一個(gè)已分配的塊比有效載荷大時(shí)發(fā)生的。(假設(shè)以前分配了10個(gè)大小的字節(jié)，現(xiàn)在只用了5個(gè)字節(jié)，則剩下的5個(gè)字節(jié)就會(huì)內(nèi)碎片)。內(nèi)部碎片的大小就是已經(jīng)分配的塊的大小和他們的有效載荷之差的和。因此內(nèi)部碎片取決于以前請(qǐng)求內(nèi)存的模式和分配器實(shí)現(xiàn)(對(duì)齊的規(guī)則)的模式。
• 外碎片：假設(shè)系統(tǒng)依次分配了16byte、8byte、16byte、4byte，還剩余8byte未分配。這時(shí)要分配一個(gè)24byte的空間，操作系統(tǒng)回收了一個(gè)上面的兩個(gè)16byte，總的剩余空間有40byte，但是卻不能分配出一個(gè)連續(xù)24byte的空間，這就是外碎片問題。

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(2)申請(qǐng)效率問題

例如：我們上學(xué)家里給生活費(fèi)一樣，假設(shè)一學(xué)期的生活費(fèi)是6000塊。

• 方式1：開學(xué)時(shí)6000塊直接給你，自己保管，自己分配如何花。
• 方式2：每次要花錢時(shí)，聯(lián)系父母，父母轉(zhuǎn)錢。

同樣是6000塊錢，第一種方式的效率肯定更高，因?yàn)榈诙N方式跟父母的溝通交互成本太高了。

同樣的道理，程序就像是上學(xué)的我們，操作系統(tǒng)就像父母，頻繁申請(qǐng)內(nèi)存的場(chǎng)景下，每次需要內(nèi)存，都像系統(tǒng)申請(qǐng)效率必然有影響。

1.2內(nèi)存池原理

內(nèi)存池的思想是，在真正使用內(nèi)存之前，預(yù)先申請(qǐng)分配一定數(shù)量、大小預(yù)設(shè)的內(nèi)存塊留作備用。當(dāng)有新的內(nèi)存需求時(shí)，就從內(nèi)存池中分出一部分內(nèi)存塊，若內(nèi)存塊不夠再繼續(xù)申請(qǐng)新的內(nèi)存，當(dāng)內(nèi)存釋放后就回歸到內(nèi)存塊留作后續(xù)的復(fù)用，使得內(nèi)存使用效率得到提升，一般也不會(huì)產(chǎn)生不可控制的內(nèi)存碎片。

內(nèi)存池設(shè)計(jì)算法原理：

• 預(yù)申請(qǐng)一個(gè)內(nèi)存區(qū)chunk，將內(nèi)存中按照對(duì)象大小劃分成多個(gè)內(nèi)存塊block
• 維持一個(gè)空閑內(nèi)存塊鏈表，通過(guò)指針相連，標(biāo)記頭指針為第一個(gè)空閑塊
• 每次新申請(qǐng)一個(gè)對(duì)象的空間，則將該內(nèi)存塊從空閑鏈表中去除，更新空閑鏈表頭指針
• 每次釋放一個(gè)對(duì)象的空間，則重新將該內(nèi)存塊加到空閑鏈表頭
• 如果一個(gè)內(nèi)存區(qū)占滿了，則新開辟一個(gè)內(nèi)存區(qū)，維持一個(gè)內(nèi)存區(qū)的鏈表，同指針相連，頭指針指向最新的內(nèi)存區(qū)，新的內(nèi)存塊從該區(qū)內(nèi)重新劃分和申請(qǐng)

通用內(nèi)存分配和釋放的缺點(diǎn)如下：

• 使用malloc/new申請(qǐng)分配堆內(nèi)存時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)最先匹配、最優(yōu)匹配或其它算法在內(nèi)存空閑塊表中查找一塊空閑內(nèi)存；使用free/delete釋放堆內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)可能需要合并空閑內(nèi)存塊，因此會(huì)產(chǎn)生額外開銷。
• 頻繁使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片，從而降低程序運(yùn)行效率。
• 造成內(nèi)存泄漏。

內(nèi)存池（Memory Pool)是代替直接調(diào)用malloc/free、new/delete進(jìn)行內(nèi)存管理的常用方法，當(dāng)申請(qǐng)內(nèi)存空間時(shí)，會(huì)從內(nèi)存池中查找合適的內(nèi)存塊，而不是直接向操作系統(tǒng)申請(qǐng)。

內(nèi)存池技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

• 堆內(nèi)存碎片很少。
• 內(nèi)存申請(qǐng)/釋放比malloc/new方式快。
• 檢查任何一個(gè)指針是否在內(nèi)存池中。
• 寫一個(gè)堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)(Heap-Dump)到硬盤。
• 內(nèi)存泄漏檢測(cè)(memory-leak detection)，當(dāng)沒有釋放分配的內(nèi)存時(shí)，內(nèi)存池(Memory Pool)會(huì)拋出一個(gè)斷言(assertion)。

內(nèi)存池可以分為不定長(zhǎng)內(nèi)存池和定長(zhǎng)內(nèi)存池兩類。不定長(zhǎng)內(nèi)存池的典型實(shí)現(xiàn)包括Apache Portable Runtime中的apr_pool和GNU lib C中的obstack，而定長(zhǎng)內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)則有boost_pool等。對(duì)于不定長(zhǎng)內(nèi)存池，不需要為不同的數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建不同的內(nèi)存池，其缺點(diǎn)是無(wú)法將分配出的內(nèi)存回收到池內(nèi)；對(duì)于定長(zhǎng)內(nèi)存池，在使用完畢后，可以將內(nèi)存歸還到內(nèi)存池中，但需要為不同類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建不同的內(nèi)存池，需要內(nèi)存的時(shí)候要從相應(yīng)的內(nèi)存池中申請(qǐng)內(nèi)存。

二、C++內(nèi)存碎片與低效

在 C++ 的世界里，內(nèi)存管理是一項(xiàng)至關(guān)重要卻又充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。當(dāng)我們編寫 C++ 程序時(shí)，常常會(huì)用到new和delete（或者malloc和free ）來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存的分配與釋放。例如，當(dāng)我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)對(duì)象或者數(shù)組時(shí)，會(huì)使用new來(lái)獲取所需的內(nèi)存空間，當(dāng)使用完畢后，再用delete將其釋放。

int* ptr = new int;
*ptr = 10;
// 使用ptr
delete ptr;

然而，這種看似簡(jiǎn)單直接的內(nèi)存管理方式，在面對(duì)頻繁的內(nèi)存分配與釋放操作時(shí)，卻會(huì)暴露出諸多問題 ，其中最為突出的便是內(nèi)存碎片和效率低下的問題。

2.1內(nèi)存碎片問題

隨著程序的運(yùn)行，如果不斷地進(jìn)行小塊內(nèi)存的分配與釋放，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間變得越來(lái)越零散。就好比我們有一個(gè)大書架（內(nèi)存空間），一開始所有的書（數(shù)據(jù)）都整齊擺放，空間充足。但隨著不斷地借書（分配內(nèi)存）和還書（釋放內(nèi)存），書架上會(huì)出現(xiàn)許多零散的小空位（內(nèi)存碎片），這些小空位無(wú)法被充分利用，即使后續(xù)有新的書要放（新的內(nèi)存分配請(qǐng)求），也可能因?yàn)闆]有足夠大的連續(xù)空位而無(wú)法放置，從而導(dǎo)致內(nèi)存利用率降低。

這種內(nèi)存碎片分為內(nèi)部碎片和外部碎片。內(nèi)部碎片是指分配的內(nèi)存塊大于實(shí)際所需，多余的部分無(wú)法被利用；外部碎片則是由于頻繁的分配和釋放，使得空閑內(nèi)存分散成許多小塊，無(wú)法滿足較大內(nèi)存塊的分配需求。

2.2效率低下問題

每次使用new和delete進(jìn)行內(nèi)存操作時(shí)，都需要與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，這涉及到系統(tǒng)調(diào)用等開銷，會(huì)消耗一定的時(shí)間。尤其是在需要頻繁分配和釋放內(nèi)存的場(chǎng)景下，如游戲開發(fā)中大量創(chuàng)建和銷毀游戲?qū)ο?，或者網(wǎng)絡(luò)編程中頻繁處理小數(shù)據(jù)包時(shí)，這種開銷會(huì)不斷累積，嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行效率。想象一下，你每次取一件工具都要跑到很遠(yuǎn)的倉(cāng)庫(kù)去取，用完再送回去，如此頻繁操作，工作效率必然低下。同樣，C++ 程序頻繁地向操作系統(tǒng)請(qǐng)求和歸還內(nèi)存，也會(huì)使程序的執(zhí)行效率大打折扣。

為了解決這些問題，內(nèi)存池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它就像是一個(gè)高效的內(nèi)存管家，能夠更加合理地管理內(nèi)存，提升程序的性能和穩(wěn)定性。

三、C++內(nèi)存池技術(shù)詳解

3.1為什么要使用內(nèi)存池

• 解決內(nèi)碎片問題
• 由于向內(nèi)存申請(qǐng)的內(nèi)存塊都是比較大的，所以能夠降低外碎片問題
• 一次性向內(nèi)存申請(qǐng)一塊大的內(nèi)存慢慢使用，避免了頻繁的向內(nèi)存請(qǐng)求內(nèi)存操作，提高內(nèi)存分配的效率
• 但是內(nèi)碎片問題無(wú)法避免，只能盡可能的降低

3.2內(nèi)存池的演變

最簡(jiǎn)單的內(nèi)存分配器，做一個(gè)鏈表指向空閑內(nèi)存，分配就是取出一塊來(lái)，改寫鏈表，返回，釋放就是放回到鏈表里面，并做好歸并。注意做好標(biāo)記和保護(hù)，避免二次釋放，還可以花點(diǎn)力氣在如何查找最適合大小的內(nèi)存快的搜索上，減少內(nèi)存碎片，有空你了還可以把鏈表?yè)Q成伙伴算法。

• 優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單
• 缺點(diǎn)： 分配時(shí)搜索合適的內(nèi)存塊效率低，釋放回歸內(nèi)存后歸并消耗大，實(shí)際中不實(shí)用。

定長(zhǎng)內(nèi)存分配器，即實(shí)現(xiàn)一個(gè) FreeList，每個(gè) FreeList 用于分配固定大小的內(nèi)存塊，比如用于分配 32字節(jié)對(duì)象的固定內(nèi)存分配器，之類的。每個(gè)固定內(nèi)存分配器里面有兩個(gè)鏈表，OpenList 用于存儲(chǔ)未分配的空閑對(duì)象，CloseList用于存儲(chǔ)已分配的內(nèi)存對(duì)象，那么所謂的分配就是從 OpenList 中取出一個(gè)對(duì)象放到 CloseList 里并且返回給用戶，釋放又是從 CloseList 移回到 OpenList。分配時(shí)如果不夠，那么就需要增長(zhǎng) OpenList：申請(qǐng)一個(gè)大一點(diǎn)的內(nèi)存塊，切割成比如 64 個(gè)相同大小的對(duì)象添加到 OpenList中。這個(gè)固定內(nèi)存分配器回收的時(shí)候，統(tǒng)一把先前向系統(tǒng)申請(qǐng)的內(nèi)存塊全部還給系統(tǒng)。

• 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單粗暴，分配和釋放的效率高，解決實(shí)際中特定場(chǎng)景下的問題有效。
• 缺點(diǎn)： 功能單一，只能解決定長(zhǎng)的內(nèi)存需求，另外占著內(nèi)存沒有釋放。

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哈希映射的FreeList池，在定長(zhǎng)分配器的基礎(chǔ)上，按照不同對(duì)象大小(8，16，32，64，128，256，512，1k…64K),構(gòu)造十多個(gè)固定內(nèi)存分配器，分配內(nèi)存時(shí)根據(jù)要申請(qǐng)內(nèi)存大小進(jìn)行對(duì)齊然后查H表，決定到底由哪個(gè)分配器負(fù)責(zé)，分配后要在內(nèi)存頭部的 header 處寫上 cookie，表示由該塊內(nèi)存哪一個(gè)分配器分配的，這樣釋放時(shí)候你才能正確歸還。如果大于64K，則直接用系統(tǒng)的 malloc作為分配，如此以浪費(fèi)內(nèi)存為代價(jià)你得到了一個(gè)分配時(shí)間近似O(1)的內(nèi)存分配器。這種內(nèi)存池的缺點(diǎn)是假設(shè)某個(gè) FreeList 如果高峰期占用了大量?jī)?nèi)存即使后面不用，也無(wú)法支援到其他內(nèi)存不夠的 FreeList，達(dá)不到分配均衡的效果。

• 優(yōu)點(diǎn)：這個(gè)本質(zhì)是定長(zhǎng)內(nèi)存池的改進(jìn)，分配和釋放的效率高?？梢越鉀Q一定長(zhǎng)度內(nèi)的問題。
• 缺點(diǎn)：存在內(nèi)碎片的問題，且將一塊大內(nèi)存切小以后，申請(qǐng)大內(nèi)存無(wú)法使用。多線程并發(fā)場(chǎng)景下，鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈，效率降低。

范例：sgi stl 六大組件中的空間配置器就是這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

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了解malloc底層原理

C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)malloc 在底層使用的是 —– 分離適配，使用這種方法，分配器維護(hù)著一個(gè)空閑鏈表數(shù)組，每個(gè)空閑鏈表被組織成某種類型的顯示/隱式鏈表。每個(gè)鏈表包含大小不同的塊，這些塊的大小是大小類的成員，當(dāng)要分配一個(gè)塊時(shí)，我們確定了大小類之后，對(duì)適當(dāng)?shù)目臻e鏈表做首次適配，查找一個(gè)合適的塊，如果找到，那么可選地分割它，并將剩余的部分插入到適當(dāng)?shù)目臻e鏈表中。如果每找到，那就搜索下一個(gè)更大的大小類的空閑鏈表，重復(fù)直到找到一個(gè)合適的塊。如果空閑鏈表中沒有合適的塊，那么就向操作系統(tǒng)請(qǐng)求額外的堆存儲(chǔ)器，從這個(gè)新的堆存儲(chǔ)器中分配一個(gè)塊，將剩余部分放置在適當(dāng)?shù)拇笮☆愔?，?dāng)釋放一個(gè)塊時(shí)，我們執(zhí)行合并，并將結(jié)果放在相應(yīng)的空閑鏈表中。

• malloc優(yōu)點(diǎn): 使用自由鏈表的數(shù)組，提高分配釋放效率；減少內(nèi)存碎片，可以合并空閑的內(nèi)存
• malloc缺點(diǎn)：為了維護(hù)隱式/顯示鏈表需要維護(hù)一些信息，空間利用率不高；在多線程的情況下，會(huì)出現(xiàn)線程安全的問題，如果以加鎖的方式解決，會(huì)大大降低效率。

3.3內(nèi)存池的核心原理

內(nèi)存池的工作原理基于一種預(yù)先分配和重復(fù)利用的策略。在程序啟動(dòng)階段，內(nèi)存池會(huì)一次性向操作系統(tǒng)申請(qǐng)一塊較大的連續(xù)內(nèi)存空間，這就好比我們提前租下了一整棟大樓（大塊內(nèi)存）。隨后，內(nèi)存池會(huì)將這塊大內(nèi)存按照一定的規(guī)則劃分為多個(gè)較小的內(nèi)存塊，這些小內(nèi)存塊就像是大樓里的一個(gè)個(gè)房間。

為了有效管理這些內(nèi)存塊，內(nèi)存池通常會(huì)借助一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中鏈表和哈希表是較為常用的。以鏈表為例，所有空閑的內(nèi)存塊會(huì)通過(guò)指針相互連接，形成一個(gè)空閑內(nèi)存塊鏈表。當(dāng)程序有內(nèi)存分配請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)存池就會(huì)從這個(gè)鏈表中取出一個(gè)合適的內(nèi)存塊分配給程序，就像從空閑房間列表中挑選一間租出去 。當(dāng)程序使用完內(nèi)存并釋放時(shí)，該內(nèi)存塊又會(huì)被重新插入到空閑鏈表中，等待下一次分配，如同租客退房后房間又可供新租客租用。

而哈希表則可以更快速地定位到合適大小的內(nèi)存塊。通過(guò)將內(nèi)存塊的大小或其他特征作為鍵值，哈希表能夠在近乎常數(shù)的時(shí)間內(nèi)找到滿足需求的內(nèi)存塊，大大提高了內(nèi)存分配的效率，尤其適用于需要頻繁分配不同大小內(nèi)存塊的場(chǎng)景。

3.4內(nèi)存池的顯著優(yōu)勢(shì)

• 減少內(nèi)存碎片：內(nèi)存池通過(guò)預(yù)先分配大塊內(nèi)存，并在內(nèi)部進(jìn)行小塊內(nèi)存的管理，避免了頻繁向操作系統(tǒng)申請(qǐng)和釋放小塊內(nèi)存所導(dǎo)致的內(nèi)存碎片問題。因?yàn)閮?nèi)存池內(nèi)的內(nèi)存分配和釋放都在預(yù)先分配的大塊內(nèi)存范圍內(nèi)進(jìn)行，就像在一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)內(nèi)分配房屋，不會(huì)影響到小區(qū)外的空間布局，從而保持了內(nèi)存空間的連續(xù)性和規(guī)整性，提高了內(nèi)存利用率。
• 提升分配釋放效率：由于內(nèi)存池的內(nèi)存分配和釋放操作是在用戶態(tài)進(jìn)行的，無(wú)需頻繁與操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行交互，避免了系統(tǒng)調(diào)用的開銷。就像在自家倉(cāng)庫(kù)取放物品，無(wú)需每次都向管理員申請(qǐng)，節(jié)省了溝通成本和時(shí)間。而且內(nèi)存池可以采用更高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來(lái)管理內(nèi)存塊，使得分配和釋放操作更加快速，能夠顯著提升程序在頻繁內(nèi)存操作場(chǎng)景下的運(yùn)行效率。
• 降低內(nèi)存泄漏風(fēng)險(xiǎn)：內(nèi)存池可以設(shè)計(jì)成具有自動(dòng)回收機(jī)制。當(dāng)程序中某些內(nèi)存塊被遺忘釋放時(shí)，內(nèi)存池能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑦@些內(nèi)存塊回收，重新納入可分配的內(nèi)存池中，從而降低了內(nèi)存泄漏的可能性。例如，當(dāng)一個(gè)對(duì)象從內(nèi)存池中分配內(nèi)存后，在其生命周期結(jié)束時(shí)，內(nèi)存池可以自動(dòng)檢測(cè)并回收該對(duì)象占用的內(nèi)存，無(wú)需程序員手動(dòng)釋放，減少了因人為疏忽導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏問題。

四、C++內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)方案

4.1設(shè)計(jì)問題

我們?cè)谠O(shè)計(jì)內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)方案時(shí)，需要考慮到以下問題：

①內(nèi)存池是否可以自動(dòng)增長(zhǎng)？

如果內(nèi)存池的最大空間是固定的（也就是非自動(dòng)增長(zhǎng)），那么當(dāng)內(nèi)存池中的內(nèi)存被請(qǐng)求完之后，程序就無(wú)法再次從內(nèi)存池請(qǐng)求到內(nèi)存。所以需要根據(jù)程序?qū)?nèi)存的實(shí)際使用情況來(lái)確定是否需要自動(dòng)增長(zhǎng)。

②內(nèi)存池的總內(nèi)存占用是否只增不減？

如果內(nèi)存池是自動(dòng)增長(zhǎng)的，就涉及到了“內(nèi)存池的總內(nèi)存占用是否是只增不減”這個(gè)問題了。試想，程序從一個(gè)自動(dòng)增長(zhǎng)的內(nèi)存池中請(qǐng)求了1000個(gè)大小為100KB的內(nèi)存片，并在使用完之后全部歸還給了內(nèi)存池，而且假設(shè)程序之后的邏輯最多之后請(qǐng)求10個(gè)100KB的內(nèi)存片，那么該內(nèi)存池中的900個(gè)100KB的內(nèi)存片就一直處于閑置狀態(tài)，程序的內(nèi)存占用就一直不會(huì)降下來(lái)。對(duì)內(nèi)存占用大小有要求的程序需要考慮到這一點(diǎn)。

③內(nèi)存池中內(nèi)存片的大小是否固定？

如果每次從內(nèi)存池中的請(qǐng)求的內(nèi)存片的大小如果不固定，那么內(nèi)存池中的每個(gè)可用內(nèi)存片的大小就不一致，程序再次請(qǐng)求內(nèi)存片的時(shí)候，內(nèi)存池就需要在“匹配最佳大小的內(nèi)存片”和“匹配操作時(shí)間”上作出衡量?！白罴汛笮〉膬?nèi)存片”雖然可以減少內(nèi)存的浪費(fèi)，但可能會(huì)導(dǎo)致“匹配時(shí)間”變長(zhǎng)。

④內(nèi)存池是否是線程安全的？

是否允許在多個(gè)線程中同時(shí)從同一個(gè)內(nèi)存池中請(qǐng)求和歸還內(nèi)存片？這個(gè)線程安全可以由內(nèi)存池來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由使用者來(lái)保證。

⑤內(nèi)存片分配出去之前和歸還到內(nèi)存池之后，其中的內(nèi)容是否需要被清除？

程序可能出現(xiàn)將內(nèi)存片歸還給內(nèi)存池之后，仍然使用內(nèi)存片的地址指針進(jìn)行內(nèi)存讀寫操作，這樣就會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)期的結(jié)果。將內(nèi)容清零只能盡量的（也不一定能）將問題拋出來(lái)，但并不能解決任何問題，而且將內(nèi)容清零會(huì)消耗一定的CPU時(shí)間。所以，最終最好還是需要由內(nèi)存池的使用者來(lái)保證這種安全性。

⑥是否兼容std::allocator？

STL標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的大多類都支持用戶提供一個(gè)自定義的內(nèi)存分配器，默認(rèn)使用的是std::allocator，如std::string：

typedef basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> > string;

如果我們的內(nèi)存池兼容std::allocator，那么我們就可以使用我們自己的內(nèi)存池來(lái)替換默認(rèn)的std::allocator分配器，如：

typedef basic_string<char, char_traits<char>, MemoryPoll<char> > mystring

2.2常見內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)方案

（1）固定大小緩沖池

固定大小緩沖池適用于頻繁分配和釋放固定大小對(duì)象的情況。

（2）dlmalloc

dlmalloc 是一個(gè)內(nèi)存分配器，由Doug Lea從1987年開始編寫，目前最新版本為2.8.3，由于其高效率等特點(diǎn)被廣泛使用和研究。

（3） SGI STL內(nèi)存分配器

SGI STL allocator 是目前設(shè)計(jì)最優(yōu)秀的 C++ 內(nèi)存分配器之一，其內(nèi)部free_list[16] 數(shù)組負(fù)責(zé)管理從 8 bytes到128 bytes不同大小的內(nèi)存塊（ chunk ），每一個(gè)內(nèi)存塊都由連續(xù)的固定大小（ fixed size block ）的很多 chunk 組成，并用指針鏈表連接。

（4）Loki小對(duì)象分配器

Loki 分配器使用vector管理數(shù)組，可以指定 fixed size block 的大小。free blocks分布在一個(gè)連續(xù)的大內(nèi)存塊中，free chunks 可以根據(jù)使用情況自動(dòng)增長(zhǎng)和減少合適的數(shù)目，避免內(nèi)存分配得過(guò)多或者過(guò)少。

（5）Boost object_pool

Boost object_pool 可以根據(jù)用戶具體應(yīng)用類的大小來(lái)分配內(nèi)存塊，通過(guò)維護(hù)一個(gè)free nodes的鏈表來(lái)管理?？梢宰詣?dòng)增加nodes塊，初始32個(gè)nodes，每次增加都以兩倍數(shù)向system heap要內(nèi)存塊。object_pool 管理的內(nèi)存塊需要在其對(duì)象銷毀的時(shí)候才返還給 system heap 。

（6）ACE_Cached_Allocator 和 ACE_Free_List

ACE 框架中包含一個(gè)可以維護(hù)固定大小的內(nèi)存塊的分配器，通過(guò)在 ACE_Cached_Allocator 中定義Free_list 鏈表來(lái)管理一個(gè)連續(xù)的大內(nèi)存塊，內(nèi)存塊中包含多個(gè)固定大小的未使用內(nèi)存區(qū)塊（ free chunk），同時(shí)使用ACE_unbounded_Set維護(hù)已使用的chuncks 。

（7）TCMalloc

Google開源項(xiàng)目gperftools提供了內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)方案。TCMalloc替換了系統(tǒng)的malloc，更加底層優(yōu)化，性能更好。

4.3STL內(nèi)存分配器

分配器(allocator))是C ++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的一個(gè)組件, 主要用來(lái)處理所有給定容器(vector，list，map等)內(nèi)存的分配和釋放。C ++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了默認(rèn)使用的通用分配器std::allocator，但開發(fā)者可以自定義分配器。

GNU STL除了提供默認(rèn)分配器，還提供了__pool_alloc、__mt_alloc、array_allocator、malloc_allocator 內(nèi)存分配器。

• __pool_alloc ：SGI內(nèi)存池分配器
• __mt_alloc ：多線程內(nèi)存池分配器
• array_allocator ：全局內(nèi)存分配，只分配不釋放，交給系統(tǒng)來(lái)釋放
• malloc_allocator ：堆std::malloc和std::free進(jìn)行的封裝

五、C++內(nèi)存池的具體實(shí)現(xiàn)

5.1內(nèi)存池的多樣類型

在C++編程中，內(nèi)存池根據(jù)其分配內(nèi)存塊的方式和特點(diǎn)，可以分為不同的類型每種類型都有其獨(dú)特的適用場(chǎng)景 。了解這些類型和場(chǎng)景，能夠幫助我們更精準(zhǔn)地選擇和使用內(nèi)存池，優(yōu)化程序性能。

(1)固定內(nèi)存池

固定內(nèi)存池，正如其名，每次從內(nèi)存池中分配出來(lái)的內(nèi)存單元大小是固定不變的。在程序初始化時(shí)，就預(yù)先設(shè)定好內(nèi)存塊的大小。例如，我們創(chuàng)建一個(gè)用于管理小型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表節(jié)點(diǎn)）的固定內(nèi)存池，每個(gè)內(nèi)存塊大小設(shè)為 32 字節(jié)。當(dāng)程序需要?jiǎng)?chuàng)建鏈表節(jié)點(diǎn)時(shí)，直接從這個(gè)內(nèi)存池中獲取 32 字節(jié)的內(nèi)存塊，無(wú)需再向操作系統(tǒng)申請(qǐng)。

固定內(nèi)存池的優(yōu)點(diǎn)十分顯著。由于內(nèi)存塊大小固定，其分配和釋放操作非常高效，就像在一個(gè)裝滿同樣大小盒子的倉(cāng)庫(kù)里取放物品，無(wú)需挑選和測(cè)量，直接拿取或放回即可。而且，因?yàn)閮?nèi)存塊大小一致，在分配和回收過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生不同大小的內(nèi)存空洞，能夠有效減少內(nèi)存碎片，提高內(nèi)存利用率。在游戲開發(fā)中，大量的游戲?qū)ο螅ㄈ缱訌?、怪物等）具有相同的大小和結(jié)構(gòu)，使用固定內(nèi)存池來(lái)管理這些對(duì)象的內(nèi)存分配，可以顯著提升游戲的性能和穩(wěn)定性。

(2)可變內(nèi)存池

可變內(nèi)存池則具有更高的靈活性，它能夠根據(jù)實(shí)際需求分配不同大小的內(nèi)存塊。當(dāng)程序需要分配 10 字節(jié)的內(nèi)存用于存儲(chǔ)小型數(shù)據(jù)，又需要分配 100 字節(jié)的內(nèi)存用于存儲(chǔ)較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可變內(nèi)存池都能滿足這些不同的需求。

可變內(nèi)存池適用于內(nèi)存需求變化較大的場(chǎng)景。在網(wǎng)絡(luò)編程中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的大小是不確定的，可能是幾十字節(jié)的小數(shù)據(jù)包，也可能是數(shù)千字節(jié)的大數(shù)據(jù)包，此時(shí)可變內(nèi)存池就能很好地適應(yīng)這種變化，為不同大小的數(shù)據(jù)包分配合適的內(nèi)存空間。然而，可變內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)樗枰芾聿煌笮〉膬?nèi)存塊，在分配和釋放內(nèi)存時(shí)需要進(jìn)行更復(fù)雜的算法操作，以確保內(nèi)存的高效利用和避免內(nèi)存碎片，就像在一個(gè)裝滿各種不同大小物品的倉(cāng)庫(kù)里找東西，需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力去尋找和整理。

5.2案例實(shí)現(xiàn)分析

(1)案例分析

計(jì)劃實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)存池管理的類MemoryPool，它具有如下特性：

• 內(nèi)存池的總大小自動(dòng)增長(zhǎng)。
• 內(nèi)存池中內(nèi)存片的大小固定。
• 支持線程安全。
• 在內(nèi)存片被歸還之后，清除其中的內(nèi)容。
• 兼容std::allocator。

因?yàn)閮?nèi)存池的內(nèi)存片的大小是固定的，不涉及到需要匹配最合適大小的內(nèi)存片，由于會(huì)頻繁的進(jìn)行插入、移除的操作，但查找比較少，故選用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理內(nèi)存池中的內(nèi)存片。

MemoryPool中有2個(gè)鏈表，它們都是雙向鏈表（設(shè)計(jì)成雙向鏈表主要是為了在移除指定元素時(shí)，能夠快速定位該元素的前后元素，從而在該元素被移除后，將其前后元素連接起來(lái)，保證鏈表的完整性）：

• data_element_ 記錄以及分配出去的內(nèi)存片。
• free_element_ 記錄未被分配出去的內(nèi)存片。

①內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)體（Block Structure）：內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)體是內(nèi)存池管理的基本單元，它用來(lái)表示內(nèi)存池中每一個(gè)可分配的內(nèi)存塊。

struct MemoryBlock {
    MemoryBlock* next; // 指向下一個(gè)內(nèi)存塊的指針，用于構(gòu)建鏈表
    // 可以在這里添加其他元數(shù)據(jù)，如內(nèi)存塊的大小標(biāo)識(shí)等
};

在這個(gè)結(jié)構(gòu)體中，next指針起著至關(guān)重要的作用，它將各個(gè)內(nèi)存塊串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)。通過(guò)這個(gè)鏈表，內(nèi)存池可以方便地管理空閑內(nèi)存塊和已分配內(nèi)存塊 。比如，在空閑內(nèi)存塊鏈表中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)MemoryBlock結(jié)構(gòu)體，通過(guò)next指針可以快速找到下一個(gè)空閑塊，當(dāng)有內(nèi)存分配請(qǐng)求時(shí)，就能迅速?gòu)逆湵碇腥〕鲆粋€(gè)空閑塊進(jìn)行分配。

②空閑內(nèi)存塊鏈表（Free List）：空閑內(nèi)存塊鏈表是內(nèi)存池管理空閑內(nèi)存的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是由MemoryBlock結(jié)構(gòu)體組成的鏈表，鏈表中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表一個(gè)可用的空閑內(nèi)存塊。

class MemoryPool {
private:
    MemoryBlock* freeList; // 空閑內(nèi)存塊鏈表的頭指針
    // 其他成員變量和函數(shù)...
};

freeList作為鏈表的頭指針，指向鏈表中的第一個(gè)空閑內(nèi)存塊。當(dāng)內(nèi)存池初始化時(shí)，會(huì)將預(yù)先分配的內(nèi)存塊逐一加入到這個(gè)鏈表中，使它們成為可用的空閑資源。在內(nèi)存分配過(guò)程中，內(nèi)存池會(huì)從freeList所指向的鏈表頭部取出一個(gè)內(nèi)存塊分配給用戶，然后更新freeList指針，使其指向下一個(gè)空閑塊；而在內(nèi)存釋放時(shí)，被釋放的內(nèi)存塊會(huì)被重新插入到鏈表頭部，成為新的空閑塊，方便下次分配使用。

(2)分配與釋放流程

①內(nèi)存分配流程：當(dāng)程序向內(nèi)存池請(qǐng)求分配內(nèi)存時(shí)，內(nèi)存池首先會(huì)檢查空閑內(nèi)存塊鏈表freeList是否為空。如果鏈表不為空，說(shuō)明有可用的空閑內(nèi)存塊，內(nèi)存池會(huì)直接從鏈表頭部取出一個(gè)內(nèi)存塊返回給程序，同時(shí)更新freeList指針，使其指向下一個(gè)空閑塊。這一過(guò)程就像從貨架上取走一件商品，然后調(diào)整貨架的指示標(biāo)識(shí)。

void* MemoryPool::allocate() {
    if (freeList == nullptr) {
        expandPool(); // 內(nèi)存不足，擴(kuò)展內(nèi)存池
    }
    MemoryBlock* block = freeList;
    freeList = freeList->next;
    return block;
}

如果freeList為空，意味著當(dāng)前內(nèi)存池中沒有空閑內(nèi)存塊可供分配，這時(shí)內(nèi)存池就需要擴(kuò)展自身的內(nèi)存空間。擴(kuò)展內(nèi)存池的方式通常是向操作系統(tǒng)申請(qǐng)一塊新的更大的內(nèi)存區(qū)域，然后將這塊新內(nèi)存按照內(nèi)存塊的大小進(jìn)行劃分，并將新劃分出的內(nèi)存塊加入到空閑內(nèi)存塊鏈表中，以供后續(xù)分配使用 。

②內(nèi)存釋放流程：當(dāng)程序使用完內(nèi)存并將其釋放回內(nèi)存池時(shí)，內(nèi)存池會(huì)將釋放的內(nèi)存塊重新插入到空閑內(nèi)存塊鏈表freeList的頭部。這樣，該內(nèi)存塊就又成為了可用的空閑資源，等待下一次被分配使用。

void MemoryPool::deallocate(void* ptr) {
    MemoryBlock* block = static_cast<MemoryBlock*>(ptr);
    block->next = freeList;
    freeList = block;
}

這個(gè)過(guò)程就像是將歸還的商品重新擺放在貨架的顯眼位置，方便下次快速取用。通過(guò)這種方式，內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存的循環(huán)利用，大大提高了內(nèi)存的使用效率。

(3)線程安全機(jī)制

在多線程環(huán)境下，內(nèi)存池面臨著數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致的問題。多個(gè)線程同時(shí)訪問和操作內(nèi)存池時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)線程在讀取空閑內(nèi)存塊鏈表時(shí)，另一個(gè)線程對(duì)鏈表進(jìn)行了修改，導(dǎo)致讀取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或者出現(xiàn)內(nèi)存塊被重復(fù)分配、釋放等錯(cuò)誤情況。

為了解決這些問題，常見的實(shí)現(xiàn)線程安全的方法有以下幾種：

①互斥鎖（Mutex）：互斥鎖是一種常用的同步機(jī)制，它可以保證在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠訪問內(nèi)存池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作。在 C++ 中，可以使用std::mutex來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥鎖。

class MemoryPool {
private:
    std::mutex mtx;
    MemoryBlock* freeList;
public:
    void* allocate() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        // 分配內(nèi)存的邏輯
    }
    void deallocate(void* ptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        // 釋放內(nèi)存的邏輯
    }
};

在allocate和deallocate函數(shù)中，通過(guò)std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);語(yǔ)句創(chuàng)建了一個(gè)鎖對(duì)象，它會(huì)在構(gòu)造時(shí)自動(dòng)鎖定互斥鎖mtx，在析構(gòu)時(shí)自動(dòng)解鎖，從而確保了在這兩個(gè)函數(shù)執(zhí)行期間，其他線程無(wú)法同時(shí)訪問內(nèi)存池，避免了數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。

②無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Lock - Free Data Structures）：無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)利用原子操作和特殊的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程安全，避免了鎖帶來(lái)的開銷。例如，使用std::atomic類型來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖鏈表。通過(guò)std::atomic的原子操作，可以保證對(duì)鏈表指針的修改是原子的，不會(huì)被其他線程打斷，從而實(shí)現(xiàn)了多線程環(huán)境下的安全操作。但無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要對(duì)原子操作和并發(fā)編程有深入的理解 。

(4)實(shí)戰(zhàn)演練：代碼示例

為了更直觀地理解 C++ 內(nèi)存池的實(shí)現(xiàn)，下面我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的固定內(nèi)存池的代碼示例。這個(gè)內(nèi)存池專門用于分配固定大小的內(nèi)存塊，通過(guò)鏈表來(lái)管理空閑內(nèi)存塊 。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cassert>

// 定義內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)體
struct MemoryBlock {
    MemoryBlock* next; // 指向下一個(gè)內(nèi)存塊的指針
};

class MemoryPool {
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t initialBlocks)
        : blockSize(blockSize), initialBlocks(initialBlocks) {
        // 初始化內(nèi)存池
        initializePool();
    }

    ~MemoryPool() {
        // 釋放內(nèi)存池中的所有內(nèi)存
        MemoryBlock* current = poolStart;
        while (current) {
            MemoryBlock* next = current->next;
            free(current);
            current = next;
        }
    }

    void* allocate() {
        if (!freeList) {
            // 空閑鏈表為空，擴(kuò)展內(nèi)存池
            expandPool();
        }
        MemoryBlock* block = freeList;
        freeList = freeList->next;
        return block;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        MemoryBlock* block = static_cast<MemoryBlock*>(ptr);
        block->next = freeList;
        freeList = block;
    }

private:
    void initializePool() {
        // 申請(qǐng)初始內(nèi)存塊并構(gòu)建空閑鏈表
        poolStart = static_cast<MemoryBlock*>(malloc(blockSize * initialBlocks));
        assert(poolStart != nullptr);

        freeList = poolStart;
        MemoryBlock* current = poolStart;
        for (size_t i = 1; i < initialBlocks; ++i) {
            current->next = static_cast<MemoryBlock*>(reinterpret_cast<char*>(current) + blockSize);
            current = current->next;
        }
        current->next = nullptr;
    }

    void expandPool() {
        // 擴(kuò)展內(nèi)存池，每次新增10個(gè)內(nèi)存塊
        size_t newBlocks = 10;
        MemoryBlock* newBlock = static_cast<MemoryBlock*>(malloc(blockSize * newBlocks));
        assert(newBlock != nullptr);

        MemoryBlock* current = newBlock;
        for (size_t i = 1; i < newBlocks; ++i) {
            current->next = static_cast<MemoryBlock*>(reinterpret_cast<char*>(current) + blockSize);
            current = current->next;
        }
        current->next = freeList;
        freeList = newBlock;
    }

    size_t blockSize; // 每個(gè)內(nèi)存塊的大小
    size_t initialBlocks; // 初始內(nèi)存塊數(shù)量
    MemoryBlock* poolStart; // 內(nèi)存池起始地址
    MemoryBlock* freeList; // 空閑內(nèi)存塊鏈表頭指針
};

// 示例使用
int main() {
    MemoryPool pool(16, 5); // 每個(gè)內(nèi)存塊16字節(jié)，初始5個(gè)內(nèi)存塊

    void* ptr1 = pool.allocate();
    void* ptr2 = pool.allocate();

    pool.deallocate(ptr1);
    pool.deallocate(ptr2);

    return 0;
}

MemoryBlock 結(jié)構(gòu)體：定義了內(nèi)存塊的結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)指向下一個(gè)內(nèi)存塊的指針next，用于構(gòu)建鏈表。

MemoryPool 類：內(nèi)存池的核心類，包含以下成員：

構(gòu)造函數(shù)：MemoryPool(size_t blockSize, size_t initialBlocks)，接收每個(gè)內(nèi)存塊的大小blockSize和初始內(nèi)存塊數(shù)量initialBlocks，并調(diào)用initializePool初始化內(nèi)存池。析構(gòu)函數(shù)：~MemoryPool()，釋放內(nèi)存池中所有申請(qǐng)的內(nèi)存。allocate函數(shù)：從空閑鏈表中取出一個(gè)內(nèi)存塊分配給用戶。如果空閑鏈表為空，則調(diào)用expandPool擴(kuò)展內(nèi)存池。deallocate函數(shù)：將用戶釋放的內(nèi)存塊重新插入到空閑鏈表的頭部。

• initializePool 函數(shù)：在內(nèi)存池初始化時(shí)，一次性向操作系統(tǒng)申請(qǐng)blockSize * initialBlocks大小的內(nèi)存，并將這些內(nèi)存塊串聯(lián)成一個(gè)空閑鏈表，freeList指向鏈表的頭節(jié)點(diǎn)。
• expandPool 函數(shù)：當(dāng)空閑鏈表為空時(shí)，調(diào)用此函數(shù)擴(kuò)展內(nèi)存池。每次擴(kuò)展新增 10 個(gè)內(nèi)存塊，將新申請(qǐng)的內(nèi)存塊加入到空閑鏈表的頭部。
• main 函數(shù)：演示了內(nèi)存池的基本使用，先分配兩個(gè)內(nèi)存塊，然后釋放它們 。

通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到內(nèi)存池如何通過(guò)預(yù)先分配內(nèi)存和管理空閑鏈表，實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)存分配與釋放，減少內(nèi)存碎片和系統(tǒng)調(diào)用開銷 。