编写高效的C++程序方法之使用对象池

编写高效的C++程序方法之使用对象池对象池技术可以避免在程序的生命期中创建和删除大量对象。如果知道程序需要同一类型的大量对象,而且对象的生命周期都很短,就可以为这些对象创建一个池(pool)进行缓存。只要代码中需要一个对象,就可以向对象池请求.用完此对象时,要把它放回池中。对象池只创建一次对象,因此它们的构造函数只调用一次,而不是每次使用时都调用。因此,当构造函数要完成一些设置动作,而且这些设置可以应用与该对象的多次使用时,对象池就

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        对象池技术可以避免在程序的生命期中创建和删除大量对象。如果知道程序需要同一类型的大量对象,而且对象的生命周期都很短,就可以为这些对象创建一个池(pool)进行缓存。只要代码中需要一个对象,就可以向对象池请求.用完此对象时,要把它放回池中。对象池只创建一次对象,因此它们的构造函数只调用一次,而不是每次使用时都调用。因此,当构造函数要完成一些设置动作,而且这些设置可以应用与该对象的多次使用时,对象池就很适用。另外在非构造函数方法调用中要在对象上设置特定于实例的参数时,也很适用采用对象池。

      一个对象池的实现

     这里提供了一个池类对象的模板的实现,你可以在自己的程序中使用这个池实现。这个池在构造时会分配一大块(chunk)指定类的对象(这里的“块”,可以理解为包括许多对象,即一堆对象),并通过 acquireObject( ) 方法交出对象。当客户用完这个对象时,会通过 releaseObject( ) 方法将其返回。如果调用了 acquireObject( ) ,但是没有空闲的对象,池会分配另外一块对象。

      对象池实现中最难的一方面是要记录哪些对象是空闲的,哪些对象正在使用。这个实现采用以下做法,即把空闲的对象保存在一个队列中。每次客户请求一个对象时,池就会把队列中第一个对象交个客户。这个池不会显式地跟踪正在使用的对象。它相信客户在用完对象后会正确的把对象交还到池中。另外,这个池在一个向量中记录所有已分配的对象。这个向量仅在撤销池时才会用到,以便是否所有对象的内存,从而避免内存泄露。

     以下是类的定义,要注意,这个模板是基于相应的类类型(要在池中构造何种类型的对象)参数化的。

 

#include <queue>
#include <vector>
#include <stdexcept>
#include <memory>

using std::queue;
using std::vector;

//
// template class ObjectPool
//
// Provides an object pool that can be used with any class that provides a
// default constructor.
//
// The object pool constructor creates a pool of objects, which it hands out
// to clients when requested via the acquireObject() method. When a client is
// finished with the object it calls releaseObject() to put the object back
// into the object pool.
//
// The constructor and destructor on each object in the pool will be called only
// once each for the lifetime of the program, not once per acquisition and release.
//
// The primary use of an object pool is to avoid creating and deleting objects
// repeatedly. The object pool is most suited to applications that use large 
// numbers of objects for short periods of time.
//
// For efficiency, the object pool doesn't perform sanity checks.
// Expects the user to release every acquired object exactly once.
// Expects the user to avoid using any objects that he or she has released.
//
// Expects the user not to delete the object pool until every object
// that was acquired has been released. Deleting the object pool invalidates
// any objects that the user had acquired, even if they had not yet been released.
//
template <typename T>
class ObjectPool
{
 public:
  //
  // Creates an object pool with chunkSize objects.
  // Whenever the object pool runs out of objects, chunkSize
  // more objects will be added to the pool. The pool only grows:
  // objects are never removed from the pool (freed), until
  // the pool is destroyed.
  //
  // Throws invalid_argument if chunkSize is <= 0.
  //
  ObjectPool(int chunkSize = kDefaultChunkSize)
    throw(std::invalid_argument, std::bad_alloc);

  //
  // Frees all the allocated objects. Invalidates any objects that have
  // been acquired for use.
  //
  ~ObjectPool();

  //
  // Reserve an object for use. The reference to the object is invalidated
  // if the object pool itself is freed.
  // 
  // Clients must not free the object!
  //
  T& acquireObject();

  //
  // Return the object to the pool. Clients must not use the object after
  // it has been returned to the pool.
  //
  void releaseObject(T& obj);

 protected:
  //
  // mFreeList stores the objects that are not currently in use
  // by clients.
  //
  queue<T*> mFreeList;
  //
  // mAllObjects stores pointers to all the objects, in use
  // or not. This vector is needed in order to ensure that all
  // objects are freed properly in the destructor.
  //
  vector<T*> mAllObjects;

  int mChunkSize;
  static const int kDefaultChunkSize = 10;

  //
  // Allocates mChunkSize new objects and adds them
  // to the mFreeList.
  //
  void allocateChunk();
  static void arrayDeleteObject(T* obj);

 private:
  // Prevent assignment and pass-by-value
  ObjectPool(const ObjectPool<T>& src);
  ObjectPool<T>& operator=(const ObjectPool<T>& rhs);
};

template<typename T>
const int ObjectPool<T>::kDefaultChunkSize;

template <typename T>
ObjectPool<T>::ObjectPool(int chunkSize) throw(std::invalid_argument,
    std::bad_alloc) : mChunkSize(chunkSize)
{
    if (mChunkSize <= 0) {
        throw std::invalid_argument("chunk size must be positive");
    }
    // Create mChunkSize objects to start
    allocateChunk();
}

//
// Allocates an array of mChunkSize objects because that's
// more efficient than allocating each of them individually.
// Stores a pointer to the first element of the array in the mAllObjects
// vector. Adds a pointer to each new object to the mFreeList.
//
template <typename T>
void ObjectPool<T>::allocateChunk()
{
    T* newObjects = new T[mChunkSize];
    mAllObjects.push_back(newObjects);
    for (int i = 0; i < mChunkSize; i++) {
        mFreeList.push(&newObjects[i]);
    }
}

//
// Freeing function for use in the for_each algorithm in the
// destructor.
//
template<typename T>
void ObjectPool<T>::arrayDeleteObject(T* obj)
{
    delete [] obj;
}

template <typename T>
ObjectPool<T>::~ObjectPool()
{
    // free each of the allocation chunks
    for_each(mAllObjects.begin(), mAllObjects.end(), arrayDeleteObject);
}

template <typename T>
T& ObjectPool<T>::acquireObject()
{
    if (mFreeList.empty()) {
        allocateChunk();
    }
    T* obj = mFreeList.front();
    mFreeList.pop();
    return (*obj);
}

template <typename T>
void ObjectPool<T>::releaseObject(T& obj)
{
    mFreeList.push(&obj);
}

       对于这个类定义有几点需要强调。首先,要注意,对象是按引用获取和释放的,而不是按指针,这样可以避免客户通过指针管理或释放对象。接下来,注意对象池的用户通过模板参数来指定可以创建哪一个类的对象(即类名),通过构造函数指定分配的“块大小”。这个“块大小”控制着一次可创建的对象数。以下是定义 kDefaultChunkSize 的代码:

template<typename T>
const int ObjectPool<T>::kDefaultChunkSize;

     根据类定义,默认值 10 对于大多数使用来说可能都太小了.如果程序一次需要成千上万的对象,就应该使用一个更大、更适合的值。

     构造函数验证 chunkSize 参数,并调用 allocateChunk( ) 辅助方法来得到起始的对象分配。

template <typename T>
ObjectPool<T>::ObjectPool(int chunkSize) throw(std::invalid_argument,
    std::bad_alloc) : mChunkSize(chunkSize)
{
    if (mChunkSize <= 0) {
        throw std::invalid_argument("chunk size must be positive");
    }
    // Create mChunkSize objects to start
    allocateChunk();
}

     allocateChunk( ) 方法在连续地存储空间中分配 mChunkSize 个元素。它会在一个 mAllObjects vector 中存储对象数组的指针,并把各个对象压至 mFreeLlist queue。

//
// Allocates an array of mChunkSize objects because that's
// more efficient than allocating each of them individually.
// Stores a pointer to the first element of the array in the mAllObjects
// vector. Adds a pointer to each new object to the mFreeList.
//
template <typename T>
void ObjectPool<T>::allocateChunk()
{
    T* newObjects = new T[mChunkSize];
    mAllObjects.push_back(newObjects);
    for (int i = 0; i < mChunkSize; i++) {
        mFreeList.push(&newObjects[i]);
    }
}

     析构函数只是释放 allocateChunk( ) 中分配的所有对象数组。不过,它使用了 for_each( ) STL算法来做到这一点,在此向 for_each( ) 传递一个arrayDelete( ) 静态方法的指针,这个方法会对各个对象数组具体完成删除调用。

//
// Freeing function for use in the for_each algorithm in the
// destructor.
//
template<typename T>
void ObjectPool<T>::arrayDeleteObject(T* obj)
{
    delete [] obj;
}

template <typename T>
ObjectPool<T>::~ObjectPool()
{
    // free each of the allocation chunks
    for_each(mAllObjects.begin(), mAllObjects.end(), arrayDeleteObject);
}

     acquireObject( ) 会返回空闲列表中的队头对象,如果没有空闲对象则首先调用 allocateChunk( ) 。

template <typename T>
T& ObjectPool<T>::acquireObject()
{
    if (mFreeList.empty()) {
        allocateChunk();
    }
    T* obj = mFreeList.front();
    mFreeList.pop();
    return (*obj);
}

     最后,releaseObject( ) 将对象返回到空闲列表的队尾。

template <typename T>
void ObjectPool<T>::releaseObject(T& obj)
{
    mFreeList.push(&obj);
}

     
使用对象池

     请考虑一个要从用户得到请求并处理这些请求的应用。这个应用很可能是图形前端和后端数据库之间的一个中间件。例如,这可能是一个航空预定系统或一个在线银行应用的一部分。你可能想把每个用户请求编码到一个对象中,这个类可能如下。

class UserRequest
{
public:
  UserRequest() {}
  ~UserRequest() {}

  // Methods to populate the request with specific information.
  // Methods to retrieve the request data.
  // (not shown)
         
protected:
  // data members (not shown)
};

     这里不用在程序的整个生命期中创建和删除大量请求,而是可以使用一个对象池。程序可能如下所示:

UserRequest& obtainUserRequest(ObjectPool<UserRequest>& pool)
{
  // Obtain a UserRequest object from the pool
  UserRequest& request = pool.acquireObject();

  // populate the request with user input
  // (not shown)

  return (request);
}

void processUserRequest(ObjectPool<UserRequest>& pool, UserRequest& req)
{
  // process the request
  // (not shown)

  // return the request to the pool
  pool.releaseObject(req);
}

int main(int argc, char** argv)
{
  ObjectPool<UserRequest> requestPool(1000);

  // Set up program
  // (not shown)

  while (true /* program is running */) {
    UserRequest& req = obtainUserRequest(requestPool);
    processUserRequest(requestPool, req);
  }

  return (0);
}

     另外,,,使用线程池也是一个提高C++程序效率的不错方式。线程池和对象池很相似,即不在程序的整个生命期中动态地创建和删除线程,而是创建一个线程池,按需使用池中的线程。如果程序要处理到来的网络请求,这种程序中常常会用到这种技术.web 服务器就可以维护一个线程池,以备查找页面,从而对到来的各个客户请求作出反应。

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