C++對象池的實現與應用

一、什麼是對象池

對象池是一種用於管理對象緩存的數據結構，用於保存多個已分配的對象，以便在需要時可以快速重用它們，從而減少了對象的動態分配和釋放的開銷。

C++的對象池通常用於管理相對較小的可重複使用的對象，如單例模式的對象、線程池的任務對象、內存池中的對象、連接池中的連接對象等一些生命周期比較長的對象。

二、對象池的實現

1.對象池的設計思路

一般的對象池是由一個數組和一個標誌位組成的，數組用於保存對象的指針，標誌位指示該對象是否空閑可用。

對象池通常可以完成以下操作：

1. 對象池的初始化。

2. 從對象池中分配出一個對象。

3. 歸還操作，將對象放回對象池中。

4. 清理對象池，銷毀對象。

2.對象池的實現代碼

template
class ObjectPool
{
public:
    ObjectPool(int maxSize = 1024) : m_maxSize(maxSize), m_allocIdx(0), m_freeIdx(0)
    {
        m_pArray = new T[maxSize];
        m_pFreeList = new int[maxSize];

        for(int i = 0; i < maxSize; i++)
        {
            m_pFreeList[i] = i;
        }
    }

    ~ObjectPool()
    {
        delete[] m_pArray;
        delete[] m_pFreeList;
    }

    T* allocate()
    {
        if(m_freeList.empty())
        {
            printf("ObjectPool error! no available object to allocate!");
            return NULL;
        }

        int idx = m_freeList[m_freeIdx++];
        T* pObj = new(m_pArray + idx) T(); //直接調用構造函數
        m_allocList.insert(std::make_pair(pObj, idx)); //插入到map中記錄分配情況
        return pObj;
    }

    void deallocate(T* pObj)
    {
        typename std::map::iterator it = m_allocList.find(pObj);
        if(it == m_allocList.end())
        {
            printf("ObjectPool error! freeing invalid object! ");
            return;
        }

        pObj->~T(); //調用析構函數
        m_freeList[--m_freeIdx] = it->second;
        m_allocList.erase(it);
    }

private:
    T* m_pArray;
    int m_maxSize;
    int m_allocIdx; //分配指針
    int m_freeIdx; //空閑指針

    std::vector m_freeList;
    std::map m_allocList;
};

三、對象池的應用

1.使用對象池管理連接

在TCP服務器中，每個連接會佔用一個套接字資源，如果頻繁申請和釋放套接字對象，會給系統帶來很大的負擔。使用對象池管理連接可以避免頻繁的套接字對象申請和釋放，提高系統的性能。

#include 
#include "ObjectPool.h"

class Connection
{
public:
    void setSocket(int sock)
    {
        m_sock = sock;
    }

    int getSocket() const
    {
        return m_sock;
    }

private:
    int m_sock;
};

int main()
{
    ObjectPool pool(1000);

    Connection* conn = pool.allocate();
    conn->setSocket(1001);
    std::cout << "socket: " <getSocket() << std::endl;

    pool.deallocate(conn);
    std::cout << "socket: " <getSocket() << std::endl;

    return 0;
}

2.使用對象池管理任務

在使用線程池時，為了避免頻繁創建和銷毀任務，可以使用對象池管理任務對象，從而提高系統的性能。

#include 
#include "ObjectPool.h"

class Task
{
public:
    void run()
    {
        std::cout << "Task is running!" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    ObjectPool pool(1000);

    Task* task = pool.allocate();
    task->run();

    pool.deallocate(task);
    task->run();

    return 0;
}

3.使用對象池管理內存塊

在內存池的實現中，為了減少內存分配和釋放的開銷，通常使用對象池來管理內存塊。內存塊的大小是固定的，每個內存塊使用標記位標記是否正在使用，如果該塊沒有被佔用，則將其放置到內存池的空閑鏈表中。

#include 
#include "ObjectPool.h"

class MemoryBlock
{
public:
    char m_data[1024];
};

int main()
{
    ObjectPool pool(1000);

    MemoryBlock* block = pool.allocate();
    std::cout << "MemoryBlock is allocated!" << std::endl;

    pool.deallocate(block);
    std::cout << "MemoryBlock is deallocated" << std::endl;

    return 0;
}

四、總結

對象池是一種用於管理對象緩存的數據結構，可以在需要時快速重用對象，從而減少了對象的動態分配和釋放的開銷。C++的對象池通常用於管理相對較小的可重複使用的對象。本文講解了對象池的實現思路和具體實現代碼，並以連接、任務和內存塊為例，闡述了對象池的應用。