面试题：C++ 内存池的设计与实现

内存池设计思路

内存块划分：将一大块内存划分成固定大小的小块，每个小块用于存储一个小对象。
空闲链表管理：使用一个链表来管理所有空闲的内存块，这样在分配内存时可以快速找到空闲块，在释放内存时可以将其重新加入链表。
内存分配策略：从空闲链表中取出一个内存块进行分配，当空闲链表为空时，向系统申请新的内存块并加入空闲链表。
内存释放策略：将释放的内存块重新加入空闲链表，而不是立即归还给系统，以便后续再次使用。

C++ 代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <mutex>

class MemoryPool {
public:
    MemoryPool(size_t blockSize, size_t initialBlockCount)
        : blockSize(blockSize), currentIndex(0) {
        // 申请一大块内存
        pool.resize(initialBlockCount * blockSize);
        // 初始化空闲链表
        for (size_t i = 0; i < initialBlockCount; ++i) {
            freeList.push_back(&pool[i * blockSize]);
        }
    }

    ~MemoryPool() = default;

    void* allocate() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        if (freeList.empty()) {
            // 空闲链表为空，申请新的内存块
            size_t newBlockCount = 10; // 可调整
            pool.resize(pool.size() + newBlockCount * blockSize);
            for (size_t i = 0; i < newBlockCount; ++i) {
                freeList.push_back(&pool[currentIndex]);
                currentIndex += blockSize;
            }
        }
        void* block = freeList.back();
        freeList.pop_back();
        return block;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        freeList.push_back(static_cast<char*>(ptr));
    }

private:
    size_t blockSize;
    size_t currentIndex;
    std::vector<char> pool;
    std::vector<char*> freeList;
    std::mutex mutex_;
};

性能优化

减少系统调用：尽量减少向系统申请和释放内存的次数，通过内存池的预分配和回收机制，提高内存使用效率。
内存对齐：确保内存块的分配满足对象的对齐要求，避免因内存对齐问题导致的性能损失。
批量分配与释放：在内存不足时，一次性申请多个内存块，减少频繁申请内存的开销；释放内存时，将多个连续的空闲块合并，提高内存利用率。

线程安全问题

互斥锁：在分配和释放内存的关键操作上加锁，如上述代码中使用std::mutex和std::lock_guard来保证同一时间只有一个线程可以访问内存池，防止数据竞争。
无锁数据结构：可以考虑使用无锁数据结构（如无锁链表）来管理空闲内存块，进一步提高多线程环境下的性能，但实现相对复杂。
线程本地存储：对于每个线程，可以使用线程本地存储（TLS）来缓存一部分空闲内存块，减少线程间的竞争。

面试题：C++ 内存池的设计与实现

知识考点

面试题答案

内存池设计思路

C++ 代码实现

性能优化

线程安全问题