定長內存池之BOOST::pool
內存池可有效降低動態申請內存的次數，減少與內核態的交互，提升系統性能，減少內存碎片，增加內存空間使用率，避免內存泄漏的可能性，這么多的優點，沒有理由不在系統中使用該技術。
內存池分類：
1、 不定長內存池。典型的實現有apr_pool、obstack。優點是不需要為不同的數據類型創建不同的內存池，缺點是造成分配出的內存不能回收到池中。這是由于這種方案以session為粒度，以業務處理的層次性為設計基礎。
2、 定長內存池。典型的實現有LOKI、BOOST。特點是為不同類型的數據結構分別創建內存池，需要內存的時候從相應的內存池中申請內存，優點是可以在使用完畢立即把內存歸還池中，可以更為細粒度的控制內存塊。
與變長的相比，這種類型的內存池更加通用，另一方面對于大量不同的數據類型環境中，會浪費不少內存。但一般系統主要的數據結構都不會很多，并且都是重復申請釋放使用，這種情況下，定長內存池的這點小缺點可以忽略了。
Boost庫的pool提供了一個內存池分配器，用于管理在一個獨立的、大的分配空間里的動態內存分配。Boost庫的pool主要適用于快速分配同樣大小的內存塊，尤其是反復分配和釋放同樣大小的內存塊的情況。使用pool內存池主要有以下兩個優點：
1. 能夠有效地管理許多小型對象的分配和釋放工作，避免了自己去管理內存而產生的內存碎片和效率低下問題。
2. 告別程序內存泄漏的煩惱，pool庫會在內部對內存自動進行管理，避免了程序員一不小心而造成的內存泄漏問題。
pool庫主要提供了四種內存池接口，分別是pool、object_pool、singleton_pool和pool_allocator/fast_pool_allocator。
1）pool
基本的定長內存池
#include <boost/pool/pool.hpp>
typedef struct student_st
{
char name[10];
int age;
}CStudent;
int main()
{
boost::pool<> student_pool(sizeof(CStudent));
CStudent * const obj=(CStudent *)student_pool.malloc();
student_pool.free(obj);
return 0;
}
pool的模版參數只有一個分配子類型，boost提供了兩種default_user_allocator_new_delete/default_user_allocator_malloc_free，指明申請釋放內存的時候使用new/delete，還是malloc/free，默認是default_user_allocator_new_delete。構造函數有2個參數：nrequested_size,nnext_size。nrequested_size是block的大小（因為void*保存序號，因此boost內置了block的最小值，nrequested_size過小則取內置值），nnext_size是simple_segregated_storage中內存不足的時候，申請的block數量，默認是32。最全面的實例化pool類似這樣：boost::pool<boost::default_user_allocator_malloc_free> student_pool(sizeof(CStudent),255);
pool提供的函數主要有：
malloc/free 基于add_block/malloc/free實現，高效
ordered_malloc/ordered_free 基于add_ordered_block/malloc/ordered_free實現，在pool中無任何意義，切勿使用。
release_memory/purge_memory 前者釋放池中未使用內存，后者釋放池中所有內存。另池析構也會釋放內存
2）object_pool
對象內存池，這是最失敗的一個內存池設計。
#include <boost/pool/object_pool.hpp>
class A{
public:
A():data_(0){}
private:
int data_;
};
int main()
{
boost::object_pool<A> obj_pool;
A *const pA=obj_pool.construct();
obj_pool.destroy(pA);
return 0;
}
object_pool繼承至pool，有兩個模版參數，第一個就是對象類型，第二個是分配子類型，默認同pool是default_user_allocator_new_delete。構造函數參數只有nnext_size，意義以及默認值同pool。最全面的實例化object_pool類似這樣：boost::pool<A,boost::default_user_allocator_malloc_free> obj_pool(255);
object_pool提供的函數主要有（繼承至父類的略）： malloc/free 復寫pool的malloc/free，add_ordered_block/malloc/ordered_free實現
construct/destroy 基于本類的malloc/free實現，額外調用默認構造函數和默認析構函數。
~object_pool 單獨拿出這個說下，若析構的時候有對象未被destroy，可以檢測到，釋放內存前對其執行destroy
為什么boost::object_pool要設計成這樣？能調用構造函數和析構函數顯然不是boost::object_pool類設計的出發點，因為構造函數只能執行默認構造函數（首次發表錯誤：可以調用任意的構造函數，參見代碼文件：boost/pool/detail/pool_construct.inc和boost/pool/detail/pool_construct_simple.inc，感謝eXile指正），近似于無，它的重點是內存釋放時候的清理工作，這個工作默認的析構函數就足夠了。apr_pool內存池中就可以注冊內存清理函數，在釋放內存的時刻執行關閉文件描述符、關閉socket等操作。boost::object_pool也想實現同樣的功能，因此設計了destroy這個函數，而同時為了防止用戶遺漏掉這個調用，而又在內存池析構的時候進行了檢測回收。為了這個目的而又不至于析構object_pool的時間復雜度是O(n平方），boost::object_pool付出了沉重的代價，在每次的destoy都執行排序功能，時間復雜度O(n),最后析構的時間復雜度是O(n)，同樣為了這個目的，從simple_segregated_storage增加了add_ordered_block/ordered_free，pool增加了ordered_malloc/ordered_free等累贅多余的功能。
基于上面討論的原因，boost::object_pool被設計成了現在的樣子，成了一個雞肋類。類的設計者似乎忘記了內存池使用的初衷，忘記了內存池中內存申請釋放的頻率很高，遠遠大于內存池對象的析構。如果你依然想使用類似于此的內存清理功能，可以在boost::object_pool上修改，不復寫malloc/free即可，重寫object_pool的析構，簡單釋放內存就好，因此析構object_pool前不要忘記調用destroy，這也是使用placement new默認遵守的規則，或者保持以前的析構函數，犧牲析構時的性能。placement new的作用是為已經申請好的內存調用構造函數，使用流程為（1）申請內存buf（2）調用placement new：new(buf)construtor()（3）調用析構destructor()（4）釋放內存buf。#include<new>可以使用placement new。
3）singleton_pool
pool的加鎖版本。
#include <boost/pool/singleton_pool.hpp>
typedef struct student_st
{
char name[10];
int age;
}CStudent;
typedef struct singleton_pool_tag{}singleton_pool_tag;
int main()
{
typedef boost::singleton_pool<singleton_pool_tag,sizeof(CStudent)> global;
CStudent * const df=(CStudent *)global::malloc();
global::free(df);
return 0;
}
singleton_pool為單例類，是對pool的加鎖封裝，適用于多線程環境，其中所有函數都是靜態類型。它的模版參數有5個，tag：標記而已，無意義；RequestedSize：block的長度；UserAllocator：分配子，默認還是default_user_allocator_new_delete；Mutex：鎖機制，默認值最終依賴于系統環境，linux下是pthread_mutex，它是對pthread_mutex_t的封裝；NextSize：內存不足的時候，申請的block數量，默認是32。最全面的使用singleton_pool類似這樣：typedef boost::singleton_pool<singleton_pool_tag,sizeof(CStudent),default_user_allocator_new_delete,details::pool::default_mutex,200> global;
它暴露的函數和pool相同。
4）pool_allocator/fast_pool_allocator
stl::allocator的替換方案。兩者都是基于singleton_pool實現，實現了stl::allocator要求的接口規范。兩者的使用相同，區別在于pool_allocator的內部實現調用了ordered_malloc和ordered_free，可以滿足對大量的連續內存塊的分配請求。fast_pool_allocator 的內部實現調用了malloc和free，比較適合于一次請求單個大內存塊的情況，但也適用于通用分配，不過具有一些性能上的缺點。因此推薦使用后者。
#include <boost/pool/pool_alloc.hpp>
#include <vector>
typedef struct student_st
{
char name[10];
int age;
}CStudent;
int main()
{
std::vector<CStudent *,boost::fast_pool_allocator<CStudent *> > v(8);
CStudent *pObj=new CStudent();
v[1]=pObj;
boost::singleton_pool<boost::fast_pool_allocator_tag,sizeof(CStudent *)>::purge_memory();
return 0;
}
fast_pool_allocator的模版參數有四個：類型，分配子，鎖類型，內存不足時的申請的block數量，后三者都有默認值，不再說了。它使用的singleton_pool的tag是boost::fast_pool_allocator_tag。
總結：boost::pool小巧高效，多多使用，多線程環境下使用boost::singleton_pool，不要使用兩者的ordered_malloc/ordered_free函數。boost::object_pool不建議使用，可以改造后使用。pool_allocator/fast_pool_allocator推薦使用后者。
參考資料：
boost官方網站: http://www.boost.org/
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