網站建設總結與心得體會,ckeditor 轉wordpress,建設項目環(huán)保驗收平臺網站,自有電腦做網站服務器在構建高性能系統(tǒng)#xff0c;特別是片上系統(tǒng)#xff08;System-on-Chip, SoC#xff09;或嵌入式系統(tǒng)時#xff0c;內存管理往往是決定性能的關鍵因素之一。標準的 C operator new 和 operator delete 通常依賴于操作系統(tǒng)的堆管理器#xff08;如 malloc/free#xff09;…在構建高性能系統(tǒng)特別是片上系統(tǒng)System-on-Chip, SoC或嵌入式系統(tǒng)時內存管理往往是決定性能的關鍵因素之一。標準的 Coperator new和operator delete通常依賴于操作系統(tǒng)的堆管理器如malloc/free這可能引入不可預測的延遲、內存碎片化以及過高的開銷尤其是在內存訪問速度至關重要且資源受限的環(huán)境中。為了滿足特定組件對內存分配的極致性能要求例如在數字信號處理器DSP或硬件加速器中我們常常需要實現自定義的operator new。本講座將深入探討如何在 C 中為特定組件實現高性能的片上內存分配器重點在于自定義operator new。我們將從基礎概念開始逐步構建一個實用的內存池分配器并探討其在片上內存環(huán)境中的應用、優(yōu)化與注意事項。一、operator new的本質與標準分配器的局限性1.1operator new的工作原理在 C 中new表達式不僅僅是分配內存。它是一個兩階段過程內存分配調用operator new函數來分配足夠的原始內存。這個函數返回一個void*指針指向一塊未初始化的內存。對象構造在分配的內存上調用對象的構造函數將原始內存轉換為一個完全構造的對象。類似地delete表達式也是一個兩階段過程對象析構調用對象的析構函數。內存釋放調用operator delete函數來釋放內存。operator new和operator delete是 C 標準庫提供的全局函數它們通常封裝了底層操作系統(tǒng)或運行時庫的內存分配接口例如 POSIX 系統(tǒng)上的malloc和free。1.2 標準分配器的局限性盡管malloc/free或默認的operator new/delete在通用編程中表現良好但在以下高性能或資源受限場景中它們可能成為瓶頸性能開銷默認分配器通常是通用型的需要處理任意大小的分配請求并且常常涉及鎖機制在多線程環(huán)境中這會導致額外的 CPU 周期和延遲。在片上系統(tǒng)中這種開銷是無法接受的。內存碎片化頻繁的小塊內存分配和釋放可能導致堆內存中出現大量不連續(xù)的小空閑塊即使總空閑內存充足也無法滿足大的連續(xù)分配請求。這在需要連續(xù)內存區(qū)域的場景如圖像緩沖區(qū)、信號處理中是致命的。不可預測性默認分配器的分配時間可能因內部算法和當前堆狀態(tài)而異導致分配延遲的抖動。對于實時系統(tǒng)或需要嚴格時序的硬件操作這種不可預測性是不可接受的。內存位置控制默認分配器無法保證內存分配在特定的物理地址區(qū)域。而片上系統(tǒng)通常有不同類型的內存如高速 SRAM、DDR 內存且特定組件可能需要將數據放置在最近或最快的內存中。缺乏診斷能力默認分配器通常提供有限的診斷工具難以追蹤內存泄漏或過度使用。1.3 為什么需要自定義operator new自定義operator new允許我們完全控制內存分配過程。通過這種方式我們可以優(yōu)化性能根據特定組件的內存訪問模式和對象大小設計更高效的分配算法?？刂苾却娌季謱ο蠓峙涞街付ǖ钠蟽却鎱^(qū)域。避免碎片化使用內存池等策略顯著降低碎片化風險。提高可預測性確保分配和釋放操作在恒定或可預測的時間內完成。增強診斷集成自定義的內存調試和統(tǒng)計功能。二、 片上內存的特性與分配器設計原則2.1 片上內存On-Chip Memory的特性片上內存通常指的是集成在同一芯片上的存儲器例如SRAM (Static RAM)速度極快通常用于 CPU 緩存、寄存器文件、或作為高性能組件的緊耦合內存 (Tightly Coupled Memory, TCM)。容量相對較小成本較高。eDRAM (embedded DRAM)比 SRAM 容量大但速度稍慢。ROM/Flash用于存儲固件和常量數據。對于高性能組件我們主要關注 SRAM 或 TCM。它們的關鍵特性包括固定且預先可知的大小和地址范圍這使得我們可以預分配一大塊內存作為分配器的基礎。極低的訪問延遲通常與 CPU 核心以全速運行沒有外部總線延遲。直接物理地址訪問沒有虛擬內存映射也沒有操作系統(tǒng)的頁面管理開銷。資源有限容量通常不大需要精打細算。2.2 片上內存分配器的設計原則基于片上內存的特性和對性能的要求我們的自定義分配器應遵循以下原則預分配Pre-allocation在系統(tǒng)啟動時或組件初始化時從已知的片上內存區(qū)域預留一大塊連續(xù)內存。后續(xù)的分配請求將從這塊預留內存中進行管理而不是頻繁向操作系統(tǒng)請求小塊內存。簡單快速的算法避免復雜的搜索、合并算法。通常固定大小塊分配器內存池或基于自由列表的分配器是首選。最小化元數據每個分配塊的額外信息如塊大小、指針等應盡可能少以減少內存開銷。對齊Alignment確保分配的內存塊滿足目標硬件和數據類型的對齊要求以避免性能下降或硬件異常。線程安全可選但推薦如果組件在多線程環(huán)境下運行分配器需要是線程安全的。錯誤處理當內存耗盡時應有明確的錯誤處理機制?？烧{試性可以在開發(fā)階段集成一些調試輔助功能如內存使用統(tǒng)計、泄漏檢測等。三、 Coperator new的重載機制在深入實現自定義分配器之前我們首先需要理解如何在 C 中重載operator new。3.1 全局operator new和operator delete你可以重載全局的operator new和operator delete來影響程序中所有通過new和delete進行的動態(tài)內存分配。它們的簽名如下// 全局 operator new void* operator new(std::size_t size); void* operator new(std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept; // 全局 operator delete void operator delete(void* ptr) noexcept; void operator delete(void* ptr, std::size_t size) noexcept; // C14 onwards void operator delete(void* ptr, const std::nothrow_t) noexcept; void operator delete(void* ptr, std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept; // C14 onwards重載全局operator new會影響整個程序的內存分配行為。這通常用于嵌入式系統(tǒng)其中malloc/free可能不可用或性能不佳。示例#include iostream #include cstdlib // For malloc/free if simulating, or custom implementation #include new // For std::nothrow_t // 簡單的全局內存池模擬 static char global_memory_pool_buffer[1024 * 1024]; // 1MB static std::size_t global_memory_pool_offset 0; void* operator new(std::size_t size) { std::cout Global operator new called for size: size std::endl; if (global_memory_pool_offset size sizeof(global_memory_pool_buffer)) { throw std::bad_alloc(); } void* ptr global_memory_pool_buffer[global_memory_pool_offset]; global_memory_pool_offset size; return ptr; } void operator delete(void* ptr) noexcept { std::cout Global operator delete called std::endl; // 對于這個簡單的bump allocatordelete不做任何事。 // 實際的內存池需要管理空閑塊。 } void* operator new(std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept { try { return operator new(size); } catch (const std::bad_alloc) { return nullptr; } } // C14 delete with size void operator delete(void* ptr, std::size_t size) noexcept { std::cout Global operator delete (with size) called for size: size std::endl; // 同上對于這個簡單分配器delete不做任何事。 } class MyGlobalObject { public: int data[100]; MyGlobalObject() { std::cout MyGlobalObject constructed std::endl; } ~MyGlobalObject() { std::cout MyGlobalObject destructed std::endl; } }; int main() { MyGlobalObject* obj1 new MyGlobalObject(); MyGlobalObject* obj2 new (std::nothrow) MyGlobalObject(); // Using nothrow new delete obj1; delete obj2; // 分配一個更大的對象可能會觸發(fā)bad_alloc // try { // int* large_array new int[500 * 1024]; // 2MB, will exceed 1MB pool // delete[] large_array; // } catch (const std::bad_alloc e) { // std::cerr Allocation failed: e.what() std::endl; // } return 0; }注意全局重載需要極其謹慎因為它會影響整個程序可能與第三方庫或標準庫的內部實現沖突。在片上內存分配場景中我們通常更傾向于類專有的operator new。3.2 類專有operator new和operator delete你可以為特定的類重載operator new和operator delete。這只會影響該類的對象以及其派生類的對象除非派生類也重載了。這是實現高性能組件專用內存分配器的首選方法。它們的簽名與全局版本類似但它們是靜態(tài)成員函數class MyComponent { public: // 普通形式 static void* operator new(std::size_t size); static void operator delete(void* ptr) noexcept; // nothrow 形式 static void* operator new(std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept; static void operator delete(void* ptr, const std::nothrow_t) noexcept; // C14 帶 size 的 delete static void operator delete(void* ptr, std::size_t size) noexcept; static void operator delete(void* ptr, std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept; // Placement new (自定義額外參數) static void* operator new(std::size_t size, void* location); // 這是內置的placement new不需要重載 static void* operator new(std::size_t size, CustomAllocator* alloc); // 自定義placement new };當new MyComponent被調用時編譯器會首先查找MyComponent::operator new。如果找不到它會查找基類的operator new最后才查找全局的operator new。優(yōu)勢精細控制只影響特定類的實例。最佳匹配可以根據類的特性如固定大小優(yōu)化分配器。隔離性不會影響程序其他部分的內存管理。四、 構建高性能內存池分配器 (Memory Pool)對于片上內存環(huán)境中的特定組件對象通常具有固定或有限的幾種大小。在這種情況下固定大小塊分配器也稱為內存池或 Slab Allocator是最理想的選擇。4.1 內存池的核心思想內存池的工作原理如下初始化從一個大的預分配內存區(qū)域中將這塊內存分割成許多固定大小的小塊稱為“塊”或“槽”?？臻e列表維護一個“空閑列表”Free List其中包含所有當前可用的內存塊。分配當需要分配內存時從空閑列表中取出一個塊并返回給調用者。釋放當內存被釋放時將該塊返回到空閑列表中。這種方法具有以下優(yōu)點極速分配/釋放只需要簡單地操作鏈表頭部的指針。無碎片化對于固定大小對象所有塊大小相同不會產生內部碎片。緩存友好連續(xù)的塊分配可能帶來更好的緩存局部性。4.2 內存池的實現細節(jié)我們將構建一個通用的MemoryPool類它可以管理固定大小的內存塊。數據結構內存緩沖區(qū)一大塊char數組或std::byte數組作為所有小塊的存儲空間?？臻e列表我們不需要獨立的鏈表節(jié)點對象。每個空閑的內存塊本身就可以被用作鏈表中的一個節(jié)點。這意味著空閑塊的第一個字節(jié)將存儲指向下一個空閑塊的指針。關鍵考量塊大小必須足夠大以容納任何對象并且還要考慮對齊要求。對齊分配的內存塊必須滿足最大對齊要求通常是alignof(std::max_align_t)或特定硬件的對齊要求。線程安全如果多線程訪問需要互斥鎖。代碼實現MemoryPool類#include cstddef // For std::size_t, std::byte #include new // For std::bad_alloc #include atomic // For std::atomic #include mutex // For std::mutex, std::lock_guard #include iostream // For debug output // 定義一個鏈表節(jié)點結構用于空閑列表。 // 實際上我們不需要額外分配這些節(jié)點每個空閑的內存塊本身就可以被視為一個FreeBlock。 struct FreeBlock { FreeBlock* next; }; class MemoryPool { public: // 構造函數初始化內存池 // buffer: 預分配的原始內存區(qū)域的指針 // buffer_size: 原始內存區(qū)域的總大小 // block_size: 內存池管理的每個塊的大小 (字節(jié)) // alignment: 內存塊的對齊要求 (字節(jié)) MemoryPool(void* buffer, std::size_t buffer_size, std::size_t block_size, std::size_t alignment) : m_buffer_start(static_caststd::byte*(buffer)), m_buffer_size(buffer_size), m_block_size(block_size), m_alignment(alignment), m_free_list_head(nullptr), m_allocated_blocks(0) { if (buffer nullptr || buffer_size 0 || block_size 0 || alignment 0) { // 可以在這里拋出異?；蜻M行斷言 std::cerr MemoryPool: Invalid initialization parameters. std::endl; return; } // 確保塊大小至少能容納一個FreeBlock指針 if (m_block_size sizeof(FreeBlock*)) { m_block_size sizeof(FreeBlock*); } // 調整塊大小以滿足對齊要求并保證能容納FreeBlock* // 如果塊大小不是對齊要求的倍數則向上取整 m_block_size (m_block_size m_alignment - 1) / m_alignment * m_alignment; // 計算第一個對齊的內存地址 std::byte* aligned_start align_pointer(m_buffer_start, m_alignment); // 計算可用內存的大小 std::size_t usable_buffer_size m_buffer_size - (aligned_start - m_buffer_start); if (usable_buffer_size m_block_size) { std::cerr MemoryPool: Buffer too small to allocate even one block after alignment. std::endl; return; } // 初始化空閑列表 std::size_t num_blocks usable_buffer_size / m_block_size; for (std::size_t i 0; i num_blocks; i) { FreeBlock* block reinterpret_castFreeBlock*(aligned_start i * m_block_size); block-next m_free_list_head; // 將當前塊添加到鏈表頭部 m_free_list_head block; } std::cout MemoryPool initialized: num_blocks blocks of m_block_size bytes each. std::endl; } // 分配內存 void* allocate() { std::lock_guardstd::mutex lock(m_mutex); // 保證線程安全 if (m_free_list_head nullptr) { // 內存池已滿 std::cerr MemoryPool: Allocation failed, pool is exhausted. std::endl; throw std::bad_alloc(); } void* block_ptr m_free_list_head; m_free_list_head m_free_list_head-next; // 移動頭指針 m_allocated_blocks; // std::cout MemoryPool: Allocated block at block_ptr . Total allocated: m_allocated_blocks std::endl; return block_ptr; } // 釋放內存 void deallocate(void* ptr) noexcept { if (ptr nullptr) { return; } std::lock_guardstd::mutex lock(m_mutex); // 保證線程安全 // 簡單檢查確保指針在內存池范圍內 if (static_caststd::byte*(ptr) m_buffer_start || static_caststd::byte*(ptr) m_buffer_start m_buffer_size) { std::cerr MemoryPool: Deallocation of out-of-bounds pointer detected: ptr std::endl; // 嚴重錯誤可能需要更嚴格的錯誤處理 return; } FreeBlock* block reinterpret_castFreeBlock*(ptr); block-next m_free_list_head; // 將塊添加回空閑列表頭部 m_free_list_head block; m_allocated_blocks--; // std::cout MemoryPool: Deallocated block at ptr . Total allocated: m_allocated_blocks std::endl; } // 獲取當前已分配的塊數 std::size_t getAllocatedBlocksCount() const { return m_allocated_blocks.load(); } // 獲取總塊數 (近似值基于初始計算) std::size_t getTotalBlocksCount() const { // 重新計算一次確保準確性 std::byte* aligned_start align_pointer(m_buffer_start, m_alignment); std::size_t usable_buffer_size m_buffer_size - (aligned_start - m_buffer_start); if (usable_buffer_size m_block_size) return 0; return usable_buffer_size / m_block_size; } // 獲取每個塊的大小 std::size_t getBlockSize() const { return m_block_size; } private: std::byte* m_buffer_start; // 內存池緩沖區(qū)的起始地址 std::size_t m_buffer_size; // 內存池緩沖區(qū)的總大小 std::size_t m_block_size; // 每個內存塊的大小 (可能已經調整過對齊) std::size_t m_alignment; // 對齊要求 FreeBlock* m_free_list_head; // 空閑列表的頭指針 std::mutex m_mutex; // 線程安全鎖 std::atomicstd::size_t m_allocated_blocks; // 統(tǒng)計已分配的塊數 // 輔助函數將指針按指定對齊方式對齊 std::byte* align_pointer(std::byte* ptr, std::size_t alignment) { std::uintptr_t int_ptr reinterpret_caststd::uintptr_t(ptr); std::uintptr_t aligned_int_ptr (int_ptr alignment - 1) ~(alignment - 1); return reinterpret_caststd::byte*(aligned_int_ptr); } };對齊 (Alignment) 的重要性在片上系統(tǒng)中內存對齊至關重要。許多硬件如 DSPs、DMA 控制器在訪問未對齊的數據時會產生性能下降甚至硬件異常。align_pointer函數確保內存池的起始地址以及每個塊的地址都滿足指定的對齊要求。m_block_size也被調整為對齊要求的倍數以保證每個塊的起始地址在分配后仍然是對齊的。線程安全std::mutex和std::lock_guard用于保護m_free_list_head和m_allocated_blocks在多線程訪問時的并發(fā)安全性。五、 將內存池與類專有operator new集成現在我們有了MemoryPool接下來就是如何將它用于特定組件。5.1 定義組件類并集成operator new假設我們有一個名為FilterCoefficient的類它代表 DSP 中的一個濾波器系數需要快速分配在片上內存中。#include cstddef // For std::size_t #include new // For std::bad_alloc #include iostream // 假設我們的MemoryPool類已經定義在上面 // ... (MemoryPool definition goes here) ... // 定義一個靜態(tài)緩沖區(qū)用于FilterCoefficient的內存池 // 在實際片上系統(tǒng)中這會是一個指向特定SRAM區(qū)域的指針 static std::byte filter_coeff_sram_buffer[1024 * 16]; // 16KB for FilterCoefficients // 聲明FilterCoefficient的內存池 (在main函數中初始化) static MemoryPool* g_filter_coeff_pool nullptr; class FilterCoefficient { public: // 假設FilterCoefficient的內部數據 float value; int index; // 其他一些數據... char padding[16 - (sizeof(float) sizeof(int)) % 16]; // 確保至少16字節(jié)大小 FilterCoefficient(float val, int idx) : value(val), index(idx) { // std::cout FilterCoefficient constructed: value , index std::endl; } ~FilterCoefficient() { // std::cout FilterCoefficient destructed: value , index std::endl; } // 重載類專有的 operator new static void* operator new(std::size_t size) { if (size ! sizeof(FilterCoefficient)) { // 如果請求的大小與類實際大小不符通常意味著new[]被調用 // 或者有繼承關系這超出了本內存池的設計范圍。 // 此時可以回退到全局new或者拋出bad_alloc。 // 對于固定大小內存池我們只支持精確匹配的類大小。 std::cerr FilterCoefficient::operator new: Size mismatch. Requested size , expected sizeof(FilterCoefficient) . Falling back to global new. std::endl; return ::operator new(size); // 回退到全局new } if (g_filter_coeff_pool nullptr) { std::cerr FilterCoefficient::operator new: Memory pool not initialized! std::endl; throw std::bad_alloc(); } return g_filter_coeff_pool-allocate(); } // 重載類專有的 operator delete static void operator delete(void* ptr) noexcept { if (g_filter_coeff_pool nullptr) { std::cerr FilterCoefficient::operator delete: Memory pool not initialized! std::endl; ::operator delete(ptr); // 回退到全局delete return; } g_filter_coeff_pool-deallocate(ptr); } // C14 onwards: 帶 size 參數的 delete static void operator delete(void* ptr, std::size_t size) noexcept { if (size ! sizeof(FilterCoefficient)) { std::cerr FilterCoefficient::operator delete: Size mismatch. Falling back to global delete. std::endl; ::operator delete(ptr, size); // 回退到全局delete return; } if (g_filter_coeff_pool nullptr) { std::cerr FilterCoefficient::operator delete: Memory pool not initialized! std::endl; ::operator delete(ptr, size); // 回退到全局delete return; } g_filter_coeff_pool-deallocate(ptr); } // 如果需要 nothrow new static void* operator new(std::size_t size, const std::nothrow_t) noexcept { try { return operator new(size); } catch (const std::bad_alloc) { return nullptr; } } static void operator delete(void* ptr, const std::nothrow_t) noexcept { operator delete(ptr); } };關鍵點說明operator new接收std::size_t size參數這是編譯器計算出的對象大小。對于固定大小的內存池我們通常會檢查這個size是否與sizeof(FilterCoefficient)相匹配。如果不匹配這可能意味著我們嘗試分配一個數組new FilterCoefficient[N]或者一個派生類對象而我們的內存池是為單個固定大小對象設計的。在這種情況下回退到全局::operator new是一個安全的做法。g_filter_coeff_pool是一個指向MemoryPool實例的全局指針。在main函數或系統(tǒng)初始化時這個內存池需要被正確地實例化和初始化。operator delete也需要類似的檢查和回退邏輯。5.2 模擬片上內存區(qū)域在實際的片上系統(tǒng)中filter_coeff_sram_buffer可能是一個volatile限定的指針指向一塊物理地址已知的 SRAM 區(qū)域// 實際片上系統(tǒng)中的聲明示例 // extern volatile std::byte ON_CHIP_SRAM_START[SRAM_SIZE]; // 假設有一個外部聲明 // static std::byte* filter_coeff_sram_buffer ON_CHIP_SRAM_START SOME_OFFSET; // static const std::size_t filter_coeff_sram_buffer_size 1024 * 16;為了在通用環(huán)境中演示我們使用一個靜態(tài)的std::byte數組來模擬這塊內存。5.3 實例化與測試// 在main函數中進行初始化和測試 int main() { // 初始化FilterCoefficient的內存池 // 塊大小應至少是FilterCoefficient的大小并滿足對齊要求 const std::size_t filter_coeff_object_size sizeof(FilterCoefficient); const std::size_t filter_coeff_alignment alignof(FilterCoefficient); // 或更大的硬件對齊要求 const std::size_t effective_block_size (filter_coeff_object_size filter_coeff_alignment - 1) / filter_coeff_alignment * filter_coeff_alignment; std::cout FilterCoefficient object size: filter_coeff_object_size bytes std::endl; std::cout FilterCoefficient alignment: filter_coeff_alignment bytes std::endl; std::cout MemoryPool effective block size: effective_block_size bytes std::endl; MemoryPool filter_coeff_pool_instance( filter_coeff_sram_buffer, sizeof(filter_coeff_sram_buffer), filter_coeff_object_size, filter_coeff_alignment ); g_filter_coeff_pool filter_coeff_pool_instance; // 設置全局指針 std::cout n--- Allocating FilterCoefficient objects --- std::endl; FilterCoefficient* coeffs[10]; for (int i 0; i 10; i) { coeffs[i] new FilterCoefficient(static_castfloat(i * 0.1), i); std::cout Allocated coeff[ i ] at static_castvoid*(coeffs[i]) , value coeffs[i]-value std::endl; } std::cout nMemoryPool status: Allocated g_filter_coeff_pool-getAllocatedBlocksCount() blocks out of g_filter_coeff_pool-getTotalBlocksCount() std::endl; std::cout n--- Deallocating FilterCoefficient objects --- std::endl; for (int i 0; i 10; i) { delete coeffs[i]; } std::cout nMemoryPool status: Allocated g_filter_coeff_pool-getAllocatedBlocksCount() blocks out of g_filter_coeff_pool-getTotalBlocksCount() std::endl; std::cout n--- Testing memory exhaustion --- std::endl; std::vectorFilterCoefficient* large_coeff_list; try { while (true) { large_coeff_list.push_back(new FilterCoefficient(0.0f, 0)); } } catch (const std::bad_alloc e) { std::cerr Caught exception: e.what() . Pool exhausted as expected. std::endl; } std::cout Final MemoryPool status: Allocated g_filter_coeff_pool-getAllocatedBlocksCount() blocks out of g_filter_coeff_pool-getTotalBlocksCount() std::endl; // 清理所有剩余的分配 for (FilterCoefficient* p : large_coeff_list) { delete p; } large_coeff_list.clear(); std::cout After cleanup, MemoryPool status: Allocated g_filter_coeff_pool-getAllocatedBlocksCount() blocks out of g_filter_coeff_pool-getTotalBlocksCount() std::endl; // 嘗試分配一個不同大小的對象應該回退到全局new struct DifferentSizeObject { int data[20]; }; std::cout n--- Testing allocation of a different size object --- std::endl; DifferentSizeObject* diff_obj new DifferentSizeObject(); // 應該調用全局new delete diff_obj; return 0; }六、 高級特性與進一步優(yōu)化6.1 支持多種對象大小的內存池單個MemoryPool只能處理一種固定大小的塊。如果一個組件需要分配多種不同大小的對象我們可以多個MemoryPool實例為每種不同大小的對象維護一個獨立的MemoryPool實例。這通常是最佳實踐。通用內存分配器實現一個更復雜的分配器如 Buddy System 或 Slab Allocator 的變體可以處理不同大小的請求。但對于片上內存通常會限制對象類型和大小因此多個MemoryPool更常見。示例為SignalBuffer類創(chuàng)建另一個內存池// 假設有另一個組件類 SignalBuffer static std::byte signal_buffer_sram_buffer[1024 * 64]; // 64KB for SignalBuffers static MemoryPool* g_signal_buffer_pool nullptr; class SignalBuffer { public: // 模擬一個信號緩沖區(qū) short data[128]; // 256 bytes int id; SignalBuffer(int buffer_id) : id(buffer_id) { // std::cout SignalBuffer constructed: id std::endl; for (int i 0; i 128; i) data[i] static_castshort(i); } ~SignalBuffer() { // std::cout SignalBuffer destructed: id std::endl; } // 重載類專有的 operator new 和 delete static void* operator new(std::size_t size) { if (size ! sizeof(SignalBuffer)) { std::cerr SignalBuffer::operator new: Size mismatch. Requested size , expected sizeof(SignalBuffer) . Falling back to global new. std::endl; return ::operator new(size); } if (g_signal_buffer_pool nullptr) { std::cerr SignalBuffer::operator new: Memory pool not initialized! std::endl; throw std::bad_alloc(); } return g_signal_buffer_pool-allocate(); } static void operator delete(void* ptr) noexcept { if (g_signal_buffer_pool nullptr) { std::cerr SignalBuffer::operator delete: Memory pool not initialized! std::endl; ::operator delete(ptr); return; } g_signal_buffer_pool-deallocate(ptr); } // ... 其他 operator new/delete 重載類似 FilterCoefficient ... }; // 在main函數中初始化g_signal_buffer_pool并使用 // ... // main() { // // ... FilterCoefficient pool initialization ... // // // 初始化SignalBuffer的內存池 // const std::size_t signal_buffer_object_size sizeof(SignalBuffer); // const std::size_t signal_buffer_alignment alignof(SignalBuffer); // MemoryPool signal_buffer_pool_instance( // signal_buffer_sram_buffer, // sizeof(signal_buffer_sram_buffer), // signal_buffer_object_size, // signal_buffer_alignment // ); // g_signal_buffer_pool signal_buffer_pool_instance; // // std::cout n--- Allocating SignalBuffer objects --- std::endl; // SignalBuffer* buffers[5]; // for (int i 0; i 5; i) { // buffers[i] new SignalBuffer(i 100); // std::cout Allocated buffer[ i ] at static_castvoid*(buffers[i]) // , id buffers[i]-id std::endl; // } // // ... deallocate ... // }6.2 Placement New 與自定義 Placement New標準 Placement Newnew (address) MyObject()允許你在已分配的內存地址上構造對象而不進行內存分配。我們的operator new返回原始內存后編譯器會自動使用 Placement New 調用構造函數。自定義 Placement New你可以重載operator new以接受除size_t以外的額外參數。這被稱為“自定義 Placement New”。這對于將分配委托給特定的內存池非常有用。class MyComponentWithCustomPlacement { public: int data; MyComponentWithCustomPlacement() : data(0) {} // 自定義 Placement New接受一個 MemoryPool 指針作為參數 static void* operator new(std::size_t size, MemoryPool pool) { std::cout Custom Placement new called for MyComponentWithCustomPlacement. std::endl; if (size ! sizeof(MyComponentWithCustomPlacement)) { // 同樣處理大小不匹配的情況 return ::operator new(size); } return pool.allocate(); } // 與自定義 Placement New 對應的 operator delete (如果 new 成功但構造失敗會調用此函數) // 簽名必須匹配 new 的額外參數 static void operator delete(void* ptr, MemoryPool pool) noexcept { std::cout Custom Placement delete called for MyComponentWithCustomPlacement (constructor failed). std::endl; pool.deallocate(ptr); } // 正常的 delete (對象被成功構造后通過 delete 調用) static void operator delete(void* ptr) noexcept { std::cout Normal delete called for MyComponentWithCustomPlacement. std::endl; // 這里需要知道是哪個池分配的內存可能需要在ptr前部存儲池信息 // 或者依賴于全局的g_component_pool指針。 // 為了簡化這里假設只有一個池或可以根據地址判斷。 if (g_filter_coeff_pool ! nullptr) { // 假設共用一個池 g_filter_coeff_pool-deallocate(ptr); } else { ::operator delete(ptr); } } }; // 使用自定義 Placement New // MemoryPool my_specific_pool(...); // MyComponentWithCustomPlacement* obj new (my_specific_pool) MyComponentWithCustomPlacement(); // delete obj; // 會調用正常的 operator delete自定義 Placement New 的好處是你可以在new表達式中明確指定使用哪個內存池而不是依賴于全局g_filter_coeff_pool這樣的靜態(tài)變量。6.3 內存泄漏檢測與調試盡管內存池能減少某些類型的碎片化但仍然可能發(fā)生泄漏——即分配的塊未被釋放。統(tǒng)計信息MemoryPool類中的m_allocated_blocks計數器是一個簡單的泄漏檢測工具。在程序結束時如果這個計數器不為零就可能存在泄漏。魔數/哨兵字節(jié)在每個分配塊的頭部和/或尾部寫入特定的“魔數”。在釋放時檢查這些魔數是否被覆蓋可以檢測到緩沖區(qū)溢出或欠流。分配/釋放日志在開發(fā)階段可以在allocate()和deallocate()中打印日志記錄分配的地址和調用棧有助于追蹤問題。6.4 性能考量緩存局部性內存池分配的塊通常是連續(xù)的這有助于提高緩存命中率。無系統(tǒng)調用一旦內存池初始化完畢所有的分配和釋放操作都在用戶空間完成無需陷入內核極大減少了開銷。恒定時間操作allocate()和deallocate()通常是 O(1) 操作即與內存池的大小或已分配塊的數量無關。對齊確保正確的對齊避免處理器在非對齊訪問時產生額外的周期或硬件異常。6.5 缺點與限制固定大小限制內存池最適合固定大小對象的分配。對于可變大小的分配需要更復雜的策略如多個內存池或者更通用的分配器。無法回收內存到操作系統(tǒng)內存池一旦從操作系統(tǒng)或預留區(qū)域獲取了內存即使所有塊都被釋放這塊總內存也不會自動歸還給操作系統(tǒng)。這在片上內存環(huán)境中通常不是問題因為內存是預留的。內部碎片如果對象大小小于塊大小會造成內部碎片。通過選擇合適的塊大小可以最小化這種影響。內存耗盡如果組件需要的內存超出了預設的內存池大小將無法分配。七、 總結通過自定義 Coperator new并結合內存池技術我們能夠為片上系統(tǒng)中的特定組件構建高性能、可預測的內存分配器。這種方法極大地降低了內存分配的開銷避免了碎片化并允許將數據放置在特定的片上內存區(qū)域。雖然需要更細致的內存管理但其帶來的性能提升對于實時、資源受限或需要極致性能的嵌入式應用而言是無可替代的。在設計和實現時務必考慮內存對齊、線程安全以及適當的錯誤處理機制。