发布于 由admin

C++中的无锁内存池设计：实现快速、确定性的内存分配与回收

C++中的无锁内存池设计：实现快速、确定性的内存分配与回收

大家好！今天我们要深入探讨一个重要的性能优化技术：无锁内存池。在高并发、实时性要求高的系统中，传统的内存分配方式（例如 new 和 delete）往往会成为性能瓶颈。它们通常依赖于锁机制来保证线程安全，在高并发场景下，锁竞争会导致严重的性能下降，并且引入不确定性。无锁内存池则旨在消除这些问题，提供快速、确定性的内存分配与回收。

1. 内存池的基本概念

首先，我们回顾一下内存池的概念。内存池是一种内存管理技术，它预先分配一大块连续的内存，然后将这块内存分割成大小相等的块，用于满足程序的内存分配请求。当程序需要内存时，直接从内存池中取出一个空闲块；当程序释放内存时，将该块放回内存池。

相比于 new 和 delete，内存池具有以下优点：

  • 速度快： 避免了频繁的系统调用，分配和释放内存的速度更快。
  • 减少内存碎片： 可以有效地减少内存碎片，提高内存利用率。
  • 确定性： 分配和释放的时间复杂度是 O(1)，具有更好的确定性。

2. 无锁内存池的挑战与策略

实现无锁内存池的关键在于如何在多线程环境下安全地管理空闲块列表，避免锁竞争。这带来了一些挑战：

  • 并发访问： 多个线程可能同时尝试分配或释放内存，需要保证数据一致性。
  • ABA问题： 在无锁算法中，ABA问题是一个常见的陷阱，需要特别注意。
  • 内存管理： 如何高效地管理空闲块列表，避免内存泄漏和重复释放。

为了应对这些挑战，我们可以采用以下策略：

  • 原子操作： 使用原子操作（例如 std::atomic）来保证对空闲块列表的并发访问。
  • CAS（Compare-and-Swap）： 使用 CAS 操作来原子地更新空闲块列表，避免锁竞争。
  • Hazard Pointer： 使用 Hazard Pointer 技术来解决 ABA 问题，保证内存安全。
  • 分级内存池： 可以将内存池分成多个层级，降低竞争，提高并发度。

3. 无锁单链表实现：空闲块管理的基础

无锁内存池的核心在于管理空闲内存块的链表。我们首先实现一个简单的无锁单链表，作为构建内存池的基础。

#include <atomic>
#include <iostream>

template <typename T>
struct Node {
    T data;
    std::atomic<Node<T>*> next;

    Node() : next(nullptr) {}
    Node(T data_) : data(data_), next(nullptr) {}
};

template <typename T>
class LockFreeList {
public:
    LockFreeList() : head(nullptr) {}

    void push(Node<T>* node) {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        do {
            node->next.store(old_head, std::memory_order_relaxed);
        } while (!head.compare_exchange_weak(old_head, node, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
    }

    Node<T>* pop() {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        Node<T>* new_head;
        while (old_head != nullptr) {
            new_head = old_head->next.load(std::memory_order_relaxed);
            if (head.compare_exchange_weak(old_head, new_head, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed)) {
                return old_head;
            }
        }
        return nullptr;
    }

private:
    std::atomic<Node<T>*> head;
};

int main() {
    LockFreeList<int> list;

    Node<int>* node1 = new Node<int>(10);
    Node<int>* node2 = new Node<int>(20);
    Node<int>* node3 = new Node<int>(30);

    list.push(node1);
    list.push(node2);
    list.push(node3);

    Node<int>* node;
    while ((node = list.pop()) != nullptr) {
        std::cout << "Popped: " << node->data << std::endl;
        delete node;
    }

    return 0;
}

这段代码实现了一个简单的无锁单链表。push 函数将新节点添加到链表头部，pop 函数从链表头部移除一个节点。这两个函数都使用了 CAS 操作来保证线程安全。 std::memory_order_relaxed，std::memory_order_release， std::memory_order_acquire是内存顺序，决定了原子操作的可见性和顺序。

4. 基于无锁链表的内存池实现

现在，我们可以使用无锁单链表来实现一个简单的无锁内存池。

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>

template <typename T>
struct Node {
    T data;
    std::atomic<Node<T>*> next;

    Node() : next(nullptr) {}
    Node(T data_) : data(data_), next(nullptr) {}
};

template <typename T>
class LockFreeList {
public:
    LockFreeList() : head(nullptr) {}

    void push(Node<T>* node) {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        do {
            node->next.store(old_head, std::memory_order_relaxed);
        } while (!head.compare_exchange_weak(old_head, node, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
    }

    Node<T>* pop() {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        Node<T>* new_head;
        while (old_head != nullptr) {
            new_head = old_head->next.load(std::memory_order_relaxed);
            if (head.compare_exchange_weak(old_head, new_head, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed)) {
                return old_head;
            }
        }
        return nullptr;
    }

private:
    std::atomic<Node<T>*> head;
};

class LockFreeMemoryPool {
public:
    LockFreeMemoryPool(size_t block_size, size_t num_blocks) : block_size_(block_size), num_blocks_(num_blocks) {
        memory_ = new char[block_size_ * num_blocks_];
        for (size_t i = 0; i < num_blocks_; ++i) {
            char* block = memory_ + i * block_size_;
            Node<char>* node = reinterpret_cast<Node<char>*>(block);
            free_blocks_.push(node);
        }
    }

    ~LockFreeMemoryPool() {
        delete[] memory_;
    }

    void* allocate() {
        Node<char>* node = free_blocks_.pop();
        if (node == nullptr) {
            return nullptr; // Pool is empty
        }
        return node;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        Node<char>* node = reinterpret_cast<Node<char>*>(ptr);
        free_blocks_.push(node);
    }

private:
    size_t block_size_;
    size_t num_blocks_;
    char* memory_;
    LockFreeList<char> free_blocks_;
};

int main() {
    LockFreeMemoryPool pool(64, 1024); // 64-byte blocks, 1024 blocks

    // Allocate and deallocate some memory
    std::vector<void*> allocated_blocks;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        void* ptr = pool.allocate();
        if (ptr != nullptr) {
            allocated_blocks.push_back(ptr);
        }
    }

    for (void* ptr : allocated_blocks) {
        pool.deallocate(ptr);
    }

    // Concurrent allocation and deallocation test
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        threads.emplace_back([&pool]() {
            for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                void* ptr = pool.allocate();
                if (ptr != nullptr) {
                    pool.deallocate(ptr);
                }
            }
        });
    }

    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    std::cout << "Concurrent allocation and deallocation test complete." << std::endl;

    return 0;
}

这段代码实现了一个简单的无锁内存池。LockFreeMemoryPool 类维护一个固定大小的内存池，并使用 LockFreeList 来管理空闲块。allocate 函数从空闲块列表中取出一个块，deallocate 函数将块放回空闲块列表。 reinterpret_cast用于将void转换为Node。

5. Hazard Pointer：解决ABA问题

在无锁算法中，ABA问题是一个常见的陷阱。ABA问题指的是，一个值从 A 变为 B，然后又变回 A。在某些情况下，这可能会导致程序出错。

例如，考虑以下场景：

  1. 线程 1 从空闲块列表中取出一个块 A。
  2. 线程 2 从空闲块列表中取出一个块 B，然后释放 B，再分配 B。此时，B 的值又变回了 A。
  3. 线程 1 尝试释放 A。由于 A 的值没有改变，线程 1 可能会错误地认为 A 仍然是有效的空闲块，从而导致内存错误。

为了解决 ABA 问题，我们可以使用 Hazard Pointer 技术。Hazard Pointer 是一种线程局部变量，用于保存线程正在访问的内存地址。当线程尝试释放内存时，它首先检查是否有其他线程正在使用该内存。如果其他线程正在使用该内存，则该线程不会立即释放该内存，而是将其放入一个延迟释放列表中，稍后再释放。

下面是一个使用 Hazard Pointer 的示例：

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>

template <typename T>
struct Node {
    T data;
    std::atomic<Node<T>*> next;

    Node() : next(nullptr) {}
    Node(T data_) : data(data_), next(nullptr) {}
};

template <typename T>
class LockFreeList {
public:
    LockFreeList() : head(nullptr) {}

    void push(Node<T>* node) {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        do {
            node->next.store(old_head, std::memory_order_relaxed);
        } while (!head.compare_exchange_weak(old_head, node, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
    }

    Node<T>* pop() {
        Node<T>* old_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
        Node<T>* new_head;
        while (old_head != nullptr) {
            new_head = old_head->next.load(std::memory_order_relaxed);
            if (head.compare_exchange_weak(old_head, new_head, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed)) {
                return old_head;
            }
        }
        return nullptr;
    }

private:
    std::atomic<Node<T>*> head;
};

// Hazard Pointer implementation
class HazardPointer {
public:
    HazardPointer() : ptr(nullptr) {}

    void protect(void* p) {
        ptr.store(p, std::memory_order_relaxed);
    }

    void release() {
        ptr.store(nullptr, std::memory_order_relaxed);
    }

    void* get() const {
        return ptr.load(std::memory_order_relaxed);
    }

private:
    std::atomic<void*> ptr;
};

// Thread-local Hazard Pointer
thread_local HazardPointer hazard_pointer;

class LockFreeMemoryPool {
public:
    LockFreeMemoryPool(size_t block_size, size_t num_blocks) : block_size_(block_size), num_blocks_(num_blocks) {
        memory_ = new char[block_size_ * num_blocks_];
        for (size_t i = 0; i < num_blocks_; ++i) {
            char* block = memory_ + i * block_size_;
            Node<char>* node = reinterpret_cast<Node<char>*>(block);
            free_blocks_.push(node);
        }
    }

    ~LockFreeMemoryPool() {
        delete[] memory_;
    }

    void* allocate() {
        Node<char>* node = free_blocks_.pop();
        if (node == nullptr) {
            return nullptr; // Pool is empty
        }
        hazard_pointer.protect(node);  // Protect the node

        return node;
    }

    void deallocate(void* ptr) {
        // Check if any other thread is using this pointer
        bool safe_to_deallocate = true;
        //This should be replaced with a global list of hazard pointers for all threads
        //For simplicity, assuming single thread for now.
        if (hazard_pointer.get() == ptr) {
            safe_to_deallocate = false;
        }

        if (safe_to_deallocate) {
          Node<char>* node = reinterpret_cast<Node<char>*>(ptr);
          free_blocks_.push(node);
        } else {
            // In a real implementation, add to a deferred free list
            // and retry later.
            std::cout << "Deferred deallocation" << std::endl;
        }
        hazard_pointer.release(); // Release the hazard pointer
    }

private:
    size_t block_size_;
    size_t num_blocks_;
    char* memory_;
    LockFreeList<char> free_blocks_;
};

int main() {
    LockFreeMemoryPool pool(64, 1024); // 64-byte blocks, 1024 blocks

    // Allocate and deallocate some memory
    std::vector<void*> allocated_blocks;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        void* ptr = pool.allocate();
        if (ptr != nullptr) {
            allocated_blocks.push_back(ptr);
        }
    }

    for (void* ptr : allocated_blocks) {
        pool.deallocate(ptr);
    }

    // Concurrent allocation and deallocation test (simplified for Hazard Pointer example)
    // This example will likely not trigger the deferred deallocation due to the single thread.
    void* ptr = pool.allocate();
    pool.deallocate(ptr);

    std::cout << "Concurrent allocation and deallocation test complete." << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们添加了一个 HazardPointer 类来管理 Hazard Pointer。 allocate 函数在分配内存后，使用 hazard_pointer.protect() 来保护该内存。 deallocate 函数在释放内存前，检查是否有其他线程正在使用该内存。如果其他线程正在使用该内存，则该线程不会立即释放该内存，而是将其放入一个延迟释放列表中。

请注意: 上面的Hazard Pointer实现是简化版本，仅适用于单线程。 在多线程环境中，您需要维护一个全局Hazard Pointer列表，以便每个线程都可以检查其他线程是否正在使用某个内存块。此外，延迟释放列表也需要正确管理，以避免内存泄漏。

6. 分级内存池：提高并发度

在高并发场景下，单个内存池可能会成为性能瓶颈。为了提高并发度，我们可以使用分级内存池。

分级内存池将内存池分成多个层级。每个线程拥有一个线程局部内存池，当线程需要分配内存时，首先从线程局部内存池中分配。如果线程局部内存池已满，则从全局内存池中分配。当线程释放内存时，首先将内存放回线程局部内存池。如果线程局部内存池已满，则将内存放回全局内存池。

分级内存池可以有效地降低锁竞争，提高并发度。

7. 总结：无锁内存池的关键点

总而言之，无锁内存池是一种重要的性能优化技术，可以提供快速、确定性的内存分配与回收。实现无锁内存池的关键在于：

  • 使用原子操作和 CAS 操作来保证对空闲块列表的并发访问。
  • 使用 Hazard Pointer 技术来解决 ABA 问题，保证内存安全。
  • 可以使用分级内存池来提高并发度。

无锁数据结构与原子操作

无锁内存池的核心是使用无锁数据结构（例如无锁单链表）和原子操作来避免锁竞争。原子操作保证了多线程环境下数据的一致性，是实现无锁算法的基础。

内存池的适用场景和性能考量

无锁内存池适用于高并发、实时性要求高的系统。在选择是否使用无锁内存池时，需要考虑其复杂性和维护成本，并进行充分的性能测试。

进一步优化的方向

无锁内存池的优化方向包括：更高效的空闲块管理算法、更精细的内存对齐策略、以及针对特定硬件平台的优化。

希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解无锁内存池的设计与实现。感谢大家的聆听！

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注