C++实现Slab Allocator：优化固定大小对象的分配与回收，减少内存碎片 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始吧。

C++ Slab Allocator：优化固定大小对象的分配与回收，减少内存碎片

今天我们来深入探讨一个重要的内存管理技术：Slab Allocator。它是一种专为分配和回收固定大小对象而设计的内存分配器，能够显著减少内存碎片，提高性能。在很多高性能的应用场景中，例如服务器、数据库、以及某些嵌入式系统中，Slab Allocator 都扮演着关键的角色。

1. 内存碎片问题与传统分配器的局限性

在深入了解 Slab Allocator 之前，我们先回顾一下内存碎片问题，以及传统内存分配器（如 malloc 和 new）在处理固定大小对象分配时存在的局限性。

内存碎片： 当程序频繁地分配和释放不同大小的内存块时，会导致空闲内存区域变得不连续，形成许多小的、无法被利用的空闲块，这就是内存碎片。内存碎片分为外部碎片和内部碎片。外部碎片是指在分配单元之间存在未使用的内存空间，这些空间太小以至于无法满足新的分配请求。内部碎片是指由于内存分配器的机制，分配给应用程序的内存块可能大于实际请求的大小，导致块内部存在未使用的空间。
传统分配器的局限性：
- malloc 和 new 等通用分配器通常需要维护复杂的元数据（例如，记录每个内存块的大小、是否空闲等），这会带来额外的内存开销。
- 它们通常采用通用的搜索策略来寻找合适的空闲块，这可能会导致较高的搜索时间。
- 它们的设计目标是处理各种大小的内存分配请求，因此在处理固定大小的对象时，效率可能不是最优的。
- 通用分配器通常会引入较大的内部碎片，即使请求的对象很小。
- 通用分配器在多线程环境下往往需要复杂的锁机制来保证线程安全，这会带来额外的性能开销。

2. Slab Allocator 的基本原理

Slab Allocator 的核心思想是将内存组织成多个 slab，每个 slab 专门用于分配特定大小的对象。它通过预先分配并管理固定大小的内存块来减少内存碎片和分配开销。

Cache： Slab Allocator 的最高层次是 cache。每个 cache 负责管理一种特定大小的对象。换句话说，如果我们需要频繁地分配和释放大小为 32 字节的对象，那么我们就会创建一个专门用于管理 32 字节对象的 cache。
Slab： 每个 cache 包含一个或多个 slab。每个 slab 是一块连续的内存区域，它被分割成多个大小相等的 object。所有属于同一个 slab 的 object 大小相同，并且对应于 cache 管理的对象大小。
Object： Object 是 slab 中最小的分配单元。当应用程序请求分配一个对象时，Slab Allocator 会从 slab 中找到一个空闲的 object 并返回给应用程序。

Slab 的状态通常分为三种：

状态	描述
`kSlabEmpty`	Slab 中所有的 object 都是空闲的。
`kSlabPartial`	Slab 中部分 object 是空闲的，部分 object 已经被分配。
`kSlabFull`	Slab 中所有的 object 都已经被分配。

3. Slab Allocator 的优势

减少内存碎片： 由于 Slab Allocator 专门用于分配固定大小的对象，因此可以有效地减少外部碎片。因为所有对象大小相同，分配和释放不会导致内存块之间的空隙。
快速分配和回收： Slab Allocator 通常使用简单的链表或位图来跟踪空闲对象，因此分配和回收操作非常快速。避免了通用分配器复杂的搜索算法。
降低元数据开销： Slab Allocator 只需要维护少量的元数据，例如 slab 的状态和空闲对象的列表，这降低了内存开销。
对象重用： 某些 Slab Allocator 实现支持对象构造和析构函数的延迟调用，这可以提高性能。比如可以延迟构造，减少不必要的对象初始化开销。
缓存友好： 由于 slab 中的对象是连续存储的，因此可以提高缓存命中率，从而提高性能。连续的内存访问模式更适合 CPU 缓存的预取机制。

4. C++ Slab Allocator 实现

下面是一个简单的 C++ Slab Allocator 实现示例。这个例子展示了 Slab Allocator 的核心思想，并省略了错误处理和线程安全等细节，以便更好地理解其基本原理。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cassert>

template <typename T>
class SlabAllocator {
public:
    SlabAllocator(size_t objectSize, size_t objectsPerSlab = 16)
        : objectSize_(objectSize), objectsPerSlab_(objectsPerSlab) {}

    ~SlabAllocator() {
        for (auto& slab : slabs_) {
            delete[] slab.memory;
        }
    }

    T* allocate() {
        // 1. 查找是否有可用的 slab
        Slab* slab = findAvailableSlab();

        // 2. 如果没有可用的 slab，则创建一个新的 slab
        if (slab == nullptr) {
            slab = createNewSlab();
            slabs_.push_back(*slab);
        }

        // 3. 从 slab 中分配一个对象
        T* object = slab->allocate();
        return object;
    }

    void deallocate(T* object) {
        // 1. 找到 object 所在的 slab
        Slab* slab = findSlab(object);
        assert(slab != nullptr); // 确保 object 来自于该 allocator

        // 2. 将 object 释放回 slab
        slab->deallocate(object);
    }

private:
    size_t objectSize_;
    size_t objectsPerSlab_;

    struct Slab {
        char* memory;
        bool* freeList; // 使用 bool 数组作为简单的空闲列表
        size_t freeCount;

        Slab(size_t objectSize, size_t objectsPerSlab)
            : memory(new char[objectSize * objectsPerSlab]),
              freeList(new bool[objectsPerSlab]),
              freeCount(objectsPerSlab) {
            // 初始化 freeList，所有 object 都是空闲的
            for (size_t i = 0; i < objectsPerSlab; ++i) {
                freeList[i] = true;
            }
        }

        ~Slab() {
            delete[] memory;
            delete[] freeList;
        }

        T* allocate() {
            if (freeCount == 0) {
                return nullptr; // Slab 已满
            }

            // 找到第一个空闲的 object
            for (size_t i = 0; i < objectsPerSlab_; ++i) {
                if (freeList[i]) {
                    freeList[i] = false;
                    --freeCount;
                    return reinterpret_cast<T*>(memory + i * objectSize_);
                }
            }
            return nullptr; // 理论上不应该发生
        }

        void deallocate(T* object) {
            // 计算 object 在 slab 中的索引
            size_t index = (reinterpret_cast<char*>(object) - memory) / objectSize_;
            assert(index >= 0 && index < objectsPerSlab_); // 确保索引有效

            // 将 object 标记为空闲
            if (!freeList[index]) {
                freeList[index] = true;
                ++freeCount;
            }
        }
    };

    std::vector<Slab> slabs_;

    Slab* findAvailableSlab() {
        for (auto& slab : slabs_) {
            if (slab.freeCount > 0) {
                return &slab;
            }
        }
        return nullptr;
    }

    Slab* createNewSlab() {
        return new Slab(objectSize_, objectsPerSlab_);
    }

    Slab* findSlab(T* object) {
        for (auto& slab : slabs_) {
            char* start = slab.memory;
            char* end = slab.memory + objectSize_ * objectsPerSlab_;
            char* objPtr = reinterpret_cast<char*>(object);
            if (objPtr >= start && objPtr < end) {
                return &slab;
            }
        }
        return nullptr;
    }
};

struct TestObject {
    int data[4]; // 假设对象大小为 16 字节
};

int main() {
    SlabAllocator<TestObject> allocator(sizeof(TestObject), 32); // 创建一个分配 TestObject 的 allocator，每个 slab 包含 32 个 object

    // 分配 100 个对象
    std::vector<TestObject*> objects;
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        TestObject* obj = allocator.allocate();
        objects.push_back(obj);
    }

    // 释放前 50 个对象
    for (int i = 0; i < 50; ++i) {
        allocator.deallocate(objects[i]);
    }

    // 再次分配 20 个对象
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        TestObject* obj = allocator.allocate();
        objects.push_back(obj);
    }

    // 释放所有对象
    for (TestObject* obj : objects) {
        allocator.deallocate(obj);
    }

    std::cout << "Slab Allocator test completed." << std::endl;

    return 0;
}

代码解释：

SlabAllocator 类： 这是 Slab Allocator 的主要类。它包含 allocate() 和 deallocate() 方法，用于分配和释放对象。
Slab 结构体： 表示一个 slab。它包含指向内存块的指针 memory，以及一个 freeList 用于跟踪空闲对象。
allocate() 方法： 首先查找是否有可用的 slab。如果没有，则创建一个新的 slab。然后，从 slab 中找到一个空闲对象并返回。
deallocate() 方法： 找到对象所在的 slab，并将对象标记为空闲。
findAvailableSlab() 方法： 遍历现有的 slabs，找到第一个有空闲 object 的 slab。
createNewSlab() 方法： 创建一个新的 slab，分配内存并初始化 freeList。
findSlab() 方法： 遍历现有的 slabs，找到包含给定 object 的 slab。

5. 优化策略和高级特性

上面的代码只是一个简单的示例。在实际应用中，我们可能需要考虑以下优化策略和高级特性：

更高效的空闲列表管理： 可以使用位图（bitmap）或链表来更高效地管理空闲对象。位图可以节省空间，而链表可以方便地进行插入和删除操作。
对象构造和析构： 在分配对象时，可以调用对象的构造函数；在释放对象时，可以调用对象的析构函数。但是，为了提高性能，可以考虑延迟构造和析构。
多线程支持： 在多线程环境中，需要使用锁机制来保证线程安全。可以使用互斥锁（mutex）或原子操作来实现线程安全。
NUMA 感知： 在 NUMA（Non-Uniform Memory Access）架构下，应该尽量将 slab 分配到与 CPU 核心相同的 NUMA 节点上，以减少跨 NUMA 节点的内存访问延迟。
Cache 着色（Cache Coloring）： 通过调整 slab 的起始地址，可以使不同的 slab 映射到不同的 CPU 缓存行，从而减少缓存冲突。
对象对齐： 确保对象按照特定的对齐方式分配，可以提高性能。可以使用 alignas 关键字来指定对象的对齐方式。

6. Slab Allocator 的应用场景

Slab Allocator 广泛应用于各种高性能的系统中：

Linux 内核： Linux 内核使用 Slab Allocator 来管理各种内核对象，例如 inode、dentry 和 task_struct。
memcached： memcached 是一个高性能的分布式内存对象缓存系统，它使用 Slab Allocator 来管理缓存对象。
NGINX： NGINX 是一个高性能的 Web 服务器和反向代理服务器，它使用 Slab Allocator 来管理连接和缓冲区。
数据库系统： 数据库系统可以使用 Slab Allocator 来管理数据库记录和索引。
游戏引擎： 游戏引擎可以使用 Slab Allocator 来管理游戏对象和资源。

7. 使用 Slab Allocator 的注意事项

对象大小的选择： 选择合适的对象大小非常重要。如果对象大小太小，会导致 slab 的数量过多，增加内存开销。如果对象大小太大，会导致内存浪费。
Slab 大小的选择： Slab 的大小也需要仔细选择。 Slab 太小可能会导致频繁的 slab 创建和销毁，而 slab 太大可能会导致内存浪费。
内存碎片： 虽然 Slab Allocator 可以减少外部碎片，但仍然存在内部碎片。内部碎片是指分配给对象的内存块大于对象实际需要的大小。
调试： 使用 Slab Allocator 可能会增加调试的难度。因为对象是从 slab 中分配的，所以很难确定对象是否被正确地分配和释放。需要使用专门的调试工具来帮助调试。
权衡： Slab Allocator 在特定场景下能够提供性能优势，但它也增加了代码的复杂性。需要根据实际情况权衡使用 Slab Allocator 的利弊。

Slab Allocator：减少内存碎片，提高内存管理效率

Slab Allocator 是一种有效的内存管理技术，可以显著减少内存碎片，提高性能，尤其是在需要频繁分配和释放固定大小对象的场景下。通过对内存进行预分配和对象重用， Slab Allocator 能够实现快速的分配和回收，降低元数据开销，并提高缓存命中率。然而，使用 Slab Allocator 也需要仔细考虑对象大小和 Slab 大小的选择，以及潜在的内部碎片和调试难度。在实际应用中，需要根据具体情况权衡使用 Slab Allocator 的利弊。

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