Memory Pool

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一个用 C++17 编写的固定大小内存池实现，适合高效管理大量小对象频繁分配/释放的场景。

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主要特性

• 固定大小块分配，按**桶（bucket）**管理不同幂次的块大小（8、16、32 ... up to MAX_BUCKET_SIZE）。
• 批量申请大块内存（chunk），减少与操作系统的交互成本。
• 侵入式空闲链表：利用空闲块的存储空间保存 next 指针，分配/释放接近 O(1)。
• 提供 scoped_allocate RAII 辅助模板，简化异常安全的分配与释放。
• 超出最大桶时回退为 new[]/delete[] 以保证兼容性。

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项目结构

├── include/
│   └── memory_pool.h    # 头文件
├── src/
│   ├── memory_pool.cpp  # 实现
│   └── test.cpp         # 简单测试程序
├── CMakeLists.txt       # 构建配置
└── README.md

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如何编译与运行

在项目根目录下：

1. 创建构建目录并进入：

mkdir build
cd build

2. 生成构建文件：

cmake ..

3. 编译：

cmake --build .

4. 运行测试程序：

• Linux/macOS: ./test_exe
• Windows (powershell/cmd): test_exe.exe

提示：如果要在 Release/Debug 模式之间切换，可在 cmake 命令中指定 -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug。

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复杂语法与实现要点解释

下面对代码中一些可能不太直观的关键点做详细解释，便于理解实现细节：

对齐（alignment）与 alignas

常量 ALIGNMENT 定义最小对齐（例如 8 字节）。通过 alignas(ALIGNMENT) 保证 FreeBlock::data 的内存对齐满足基本要求。对齐对于某些类型（如 double） 非常重要，未对齐访问会导致性能下降或未定义行为。

RoundUp 与 GetBucketIndex

• RoundUp(size_t bytes)：将大小上调到最接近的 ALIGNMENT 的倍数（例如 9 -> 16）。
• GetBucketIndex(size_t bytes)：基于上调后的大小返回对应桶的索引，桶大小按照 8、16、32... 的幂次增长，便于快速决定使用哪种 FixedMemoryPool。

侵入式链表（FreeBlock）

union FreeBlock { FreeBlock* next; alignas(...) char data[1]; }：

• 当块空闲时，前面的内存存放 next 指针构成链表；当分配给用户时，用户使用 data 存储数据。
• 这种设计节省额外的元数据空间，但要求释放的指针必须来自本池并且仍然未被覆盖。

allocate_new_chunk() 的实现要点

• 使用 operator new(size) 分配一整块原始内存（未构造对象）。
• 将该 chunk 切割为若干 block_size_ 大小的块，并形成链表，最后把链表头赋给 free_list_head_。
• 析构时使用 operator delete(ptr) 释放这些原始内存。

reinterpret_cast 的用途

将 char* 地址转换为 FreeBlock*（或反向）使用 reinterpret_cast。这是低级内存管理中常见的做法，意味着你在进行未定义类型上的原始内存操作，务必确保对齐与合法性。

scoped_allocate<T> 模板

这是一个返回带自定义 deleter 的 std::unique_ptr<T, std::function<void(void*)>> 的便捷函数：

• 分配原始内存并返回类型安全的指针；
• 当 unique_ptr 析构时，调用 deallocate 自动归还内存，实现异常安全。

示例：

auto buf = pool.scoped_allocate<char>(100); // 自动释放

所有权检查 owns(void* ptr)

用于调试，检查一个指针是否位于任意已分配的 chunk 范围内，返回布尔值。

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测试

src/test.cpp 做了简单验证：

• 测试 scoped_allocate（RAII）、多种大小的分配以及释放；
• 输出分配地址并断言非空。

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反馈与贡献

非常欢迎通过仓库提交 issue 来提出问题、报告 bug 或建议改进。若在使用或理解代码时遇到问题，请随时在 issue 中提问，我会尽快回复。

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许可证

MIT License