内存池通过预分配大块内存并内部管理分配与释放，减少系统调用开销。它适用于频繁创建销毁固定大小对象的场景，提升分配速度与缓存局部性，降低碎片风险。实现上采用空闲链表管理可用槽位，结合placement new进行对象构造。虽然存在不适用变长对象、需手动调用析构等限制，但在游戏、实时系统中仍能显著优化性能。
在高性能C++程序中，频繁调用系统内存分配函数（如new和delete或malloc/free）会带来显著的性能开销。为了减少这种开销，内存池技术被广泛使用。内存池预先分配一大块内存，然后在内部管理小块内存的分配与释放，避免频繁与操作系统交互。
内存池的基本原理
内存池的核心思想是：一次性向操作系统申请一块较大的连续内存空间，之后所有的内存分配请求都从这块空间中划分，不再直接调用系统API。当对象销毁时，内存并不立即归还系统，而是返回到池中供后续复用。
这种方式特别适合以下场景：
- 频繁创建和销毁相同或固定大小的对象
- 对分配速度要求高，延迟敏感的应用（如游戏、实时系统）
- 避免内存碎片，提升缓存局部性
实现一个简单的固定大小内存池
下面是一个针对固定大小对象的简单内存池实现。假设我们要管理大小为sizeof(T)的对象。
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#include#include template
class MemoryPool { private: struct Node { Node* next; }; union Slot { T data; Node node; }; Slot* memory_; Node* free_list_; size_t remaining_;public: MemoryPool() : memory_(nullptr), freelist(nullptr), remaining_(0) { allocateBlock(); }
~MemoryPool() { while (memory_) { Slot* next = reinterpret_castzuojiankuohaophpcnSlot*youjiankuohaophpcn(memory_[BlockSize].node.next); delete[] reinterpret_castzuojiankuohaophpcnchar*youjiankuohaophpcn(memory_); memory_ = next; } } T* allocate() { if (!free_list_) { allocateBlock(); } Node* slot = free_list_; free_list_ = free_list_-youjiankuohaophpcnnext; return reinterpret_castzuojiankuohaophpcnT*youjiankuohaophpcn(slot); } void deallocate(T* ptr) { if (ptr) { Node* slot = reinterpret_castzuojiankuohaophpcnNode*youjiankuohaophpcn(ptr); slot-youjiankuohaophpcnnext = free_list_; free_list_ = slot; } }private: void allocateBlock() { // 分配一块内存：BlockSize个T + 一个指向下一块的指针 char raw = new char[(BlockSize + 1) sizeof(Slot)]; Slot block = reinterpret_cast
>(raw); // 将新块链接到已分配块链表头部 block[BlockSize].node.next = memory_; memory_ = block; // 将新块中的所有槽位链接到空闲链表 for (size_t i = 0; i zuojiankuohaophpcn BlockSize - 1; ++i) { block[i].node.next = &block[i + 1].node; } block[BlockSize - 1].node.next = nullptr; free_list_ = &block[0].node; remaining_ = BlockSize; }};
// 使用示例 struct Point { float x, y; Point(float x = 0, float y = 0) : x(x), y(y) {} };
上面代码的关键点：
- 使用
union在未使用的内存中存储空闲链表指针- 每次分配一个“块”（Block），包含多个对象槽位
- 空闲对象通过单向链表连接，分配就是取头节点，释放就是插回链表头
- 析构时回收所有分配的大块内存
如何使用这个内存池
结合placement new和显式析构函数来使用内存池：
int main() { MemoryPoolpool; // 分配并构造对象 Point* p1 = pool.allocate(); new(p1) Point(1.0f, 2.0f); // placement new Point* p2 = pool.allocate(); new(p2) Point(3.0f, 4.0f); std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "p1: (" zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn p1-youjiankuohaophpcnx zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn ", " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn p1-youjiankuohaophpcny zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn ")\n"; std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "p2: (" zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn p2-youjiankuohaophpcnx zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn ", " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn p2-youjiankuohaophpcny zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn ")\n"; // 显式调用析构 p1-youjiankuohaophpcn~Point(); p2-youjiankuohaophpcn~Point(); // 归还内存 pool.deallocate(p1); pool.deallocate(p2); return 0;}
性能优势与注意事项
相比直接使用
new/delete，该内存池的优势包括：
- 分配/释放接近O(1)，只需操作链表头
- 内存局部性好，提高缓存命中率
- 减少系统调用次数，降低碎片风险
但也有几点需要注意：
- 不适用于变长对象或大小差异大的对象
- 长期运行可能无法释放内存给系统（除非加回收机制）
- 需手动管理构造与析构（配合placement new）
基本上就这些。这个简易内存池适合学习和小型项目。实际生产中可考虑更成熟的方案，如Google的tcmalloc、Intel的TBB内存池，或Boost.Pool。但对于特定场景，定制内存池仍是提升性能的有效手段。
