对C++程序内存管理的精雕细琢

    应用程序分配内存的方法，对程序的执行性能有着深刻的影响。目前，通用的内存分配方法本质上已非常高效，但仍有改进的空间。

    内存分配，不可一层不变

    今天，对绝大多数程序来说，通用的内存分配方法——此处指代分配算符（Allocator：即malloc或new），已达到了理想的速度及满足了低碎片率的要求，然而，在内存分配领域，一丁点的信息都值得探讨很久，某些特定程序关于分配模式的信息，将有助于实现专门的分配算符，可显著地提高大多数高性能要求程序的性能底线。有时，当通用内存分配算符平均耗费几百个时钟周期时，一个良好的自定义内存分配算符可能只需要不到半打的周期。

    这就是为什么大多数高性能、高要求的应用程序（如GCC、Apache、Microsoft SQL Server），都有着它们自己的内存分配算符。也许，把这些专门的内存分配算符归纳起来，放进一个库中，是个不错的想法，但是，你的程序可能有不同的分配模式，其需要另外的内存分配算符，那怎么办呢？

    等等，还有呢，如果我们设计了一种特殊用途的内存分配算符，就可以不断发展下去，由此可从中筛选出一些，来组成一个通用目的的内存分配算符，如果此通用分配算符优于现有的通用分配算符，那么此项设计就是有效及实用的。

    下面的示例使用了Emery小组的库——HeapLayers（http://heaplayers.org/），为了定义可配置的分配算符，其中使用了mixins（在C++社区中，也被称为Coplien递归模式）：通过参数化的基来定义类，每一层中只定义两个成员函数，malloc和free：

template <class T> strUCt Allocator : public T { 　void * malloc(size_t sz); 　void free(void* p); 　//系统相关的值 　enum { Alignment = sizeof(double) }; 　//可选接口e 　size_t getSize(const void* p); };

    在每一层的实现中，都有可能向它的基类请求内存，一般来说，一个不依赖于外界的内存分配算符，都会处在层次的顶层--直接向前请求系统的new和delete操作符、malloc和free函数。在HeapLayers的术语中，没有顶层堆，以下是示例：

struct MallocHeap { 　void * malloc(size_t sz) { 　　return std::malloc(sz); 　} 　void free(void* p) { 　　return std::free(p); 　} };

    为获取内存，顶层堆也能通过系统调用来实现，如Unix的sbrk或mmap。getSize函数的情况就比较特殊，不是每个人都需要它，定义它只是一个可选项。但如果定义了它，你所需做的只是插入一个存储内存块大小的层，并提供getSize函数，见例1：

例1： template <class SuperHeap> class SizeHeap { 　union freeObject { 　　size_t sz; 　　double _dummy; //对齐所需 　}; public: 　void * malloc(const size_t sz) { 　　//添加必要的空间 　　freeObject * ptr = (freeObject *)SuperHeap::malloc(sz + sizeof(freeObject)); 　　//存储请求的大小 　　ptr->sz = sz; 　　return ptr + 1; 　} 　void free(void * ptr) { 　　SuperHeap::free((freeObject *) ptr - 1); 　} 　static size_t getSize (const void * ptr) { 　　return ((freeObject *)ptr - 1)->sz; 　} };

    SizeHeap是怎样实现一个实用的层，并挂钩于它基类的malloc与free函数的最好示例，它在完成一些额外的工作之后，把修改好的结果返回给使用者。SizeHeap为存储内存块大小，分配了额外的内存，再加上适当的小心调整（指union），尽可能地避免了内存数据对齐问题。不难想像，我们可构建一个debug堆，其通过特定模式在内存块之前或之后填充了一些字节，通过检查是否模式已被保留，来确认内存的溢出。事实上，这正是HeapLayers的DebugHeap层所做的，非常的简洁。

    让我们再来看看，以上还不是最理想的状态，某些系统已经提供了计算已分配内存块大小的原语（此处指操作符，即前述的分配算符），在这些系统上，SizeHeap实际上只会浪费空间。在这种情况下（如Microsoft Visual C++），你将不需要SizeHeap与MallocHeap的衔接，因为MallcoHeap将会实现getSize：