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深度剖析C++对象池自动回收技术实现

发布者:itnews
发布日期:2015/11/27 16:00:06   更新日期:2015/11/27 16:00:06
阅读次数:488
评分:4.80
介绍:对象池可以显著提高性能,如果一个对象的创建非常耗时或非常昂贵,频繁去创建的话会非常低效。本文将探讨对象池的技术特性以及源码实现。
正文:

对象池可以显著提高性能,如果一个对象的创建非常耗时或非常昂贵,频繁去创建的话会非常低效。对象池通过对象复用的方式来避免重复创建对象,它会事先创建一定数量的对象放到池中,当用户需要创建对象的时候,直接从对象池中获取即可,用完对象之后再放回到对象池中,以便复用。这种方式避免了重复创建耗时或耗资源的大对象,大幅提高了程序性能。本文将探讨对象池的技术特性以及源码实现。


对象池类图

  • ObjectPool:管理对象实例的pool。
  • Client:使用者。

适用性:

  • 类的实例可重用。
  • 类的实例化过程开销较大。
  • 类的实例化的频率较高。

效果:

  • 节省了创建类实例的开销。
  • 节省了创建类实例的时间。
  • 存储空间随着对象的增多而增大。

问题 

目前纵观主流语言的实现方式无外乎3个步骤:

  1. 初始创建一定数量的对象池(也允许从外面添加对象)。
  2. 从对象池中取对象来使用。
  3. 用完之后返回对象池。

一般情况下这样是OK的,可能存在的问题是在第三步,有两个问题:

  1. 不方便,每次都需要显式回收对象。
  2. 忘记将对象放回对象池,造成资源浪费。

改进动机 

解决显式回收的问题,实现自动回收,省心省力。改进之后的对象池无须提供release方法,对象会自动回收,改进之后的类图如下。


技术内幕

借助c++11智能指针,因为智能指针可以自定义删除器,在智能指针释放的时候会调用删除器,在删除器中我们将用完的对象重新放回对象池。思路比较简单,但实现的时候需要考虑两个问题:

  1. 什么时候定义删除器?
  2. 用shared_ptr还是unique_ptr? 

1. 什么时候定义删除器

自定义删除器只做一件事,就是将对象重新放入对象池。如果对象池初始化的时候就自定义删除器的话,删除器中的逻辑是将对象放回对象池,放回的时候无法再定义一个这样的删除器,所以这种做法行不通。需要注意,回收的对象只能是默认删除器的。除了前述原因之外,另外一个原因是对象池释放的时候需要释放所有的智能指针,释放的时候如果存在自定义删除器将会导致对象无法删除。只有在get的时候定义删除器才行,但是初始创建或加入的智能指针是默认删除器,所以我们需要把智能指针的默认删除器改为自定义删除器。 

1.2 用shared_ptr还是unique_ptr

因为我们需要把智能指针的默认删除器改为自定义删除器,用shared_ptr会很不方便,因为你无法直接将shared_ptr的删除器修改为自定义删除器,虽然你可以通过重新创建一个新对象,把原对象拷贝过来的做法来实现,但是这样做效率比较低。而unique_ptr由于是独占语义,提供了一种简便的方法方法可以实现修改删除器,所以用unique_ptr是最适合的。 

1.3 实现源码

#pragma once
#include <memory>
#include <vector>
#include <functional>

template <class T>
class SimpleObjectPool
{
public:
    using DeleterType = std::function<void(T*)>;

    void add(std::unique_ptr<T> t)
    {
        pool_.push_back(std::move(t));
    }

    std::unique_ptr<T, DeleterType> get()
    {
        if (pool_.empty())
        {
            throw std::logic_error("no more object");
        }

        //every time add custom deleter for default unique_ptr
        std::unique_ptr<T, DeleterType> ptr(pool_.back().release(), [this](T* t)
        {
            pool_.push_back(std::unique_ptr<T>(t));
        });

        pool_.pop_back();
        return std::move(ptr);
    }

    bool empty() const
    {
        return pool_.empty();
    }

    size_t size() const
    {
        return pool_.size();
    }

private:
    std::vector<std::unique_ptr<T>> pool_;
};

//test code
void test_object_pool()
{
    SimpleObjectPool<A> p;
    p.add(std::unique_ptr<A>(new A()));
    p.add(std::unique_ptr<A>(new A()));
    {
        auto t = p.get();
        p.get();
    }

    {
        p.get();
        p.get();
    }

    std::cout << p.size() << std::endl;
}

 如果你坚持用shared_ptr,那么回收的时候你需要这样写:

std::shared_ptr<T> get()
{
	if (pool_.empty())
	{
		throw std::logic_error("no more object");
	}

	std::shared_ptr<T> ptr = pool_.back();
	auto p = std::shared_ptr<T>(new T(std::move(*ptr.get())), [this](T* t) 
	{
		pool_.push_back(std::shared_ptr<T>(t));
	});

	//std::unique_ptr<T, DeleterType> ptr(pool_.back().release(), [this](T* t)
	//{
	//	pool_.push_back(std::unique_ptr<T>(t));
	//});

	pool_.pop_back();
	return p;
}

这种方式需要每次都创建一个新对象,并且拷贝原来的对象,是一种比较低效的做法。

代码仅仅是为了展示如何实现自动回收对象,没有考虑线程安全、对象池扩容策略等细节,源码链接:object_pool

总结

凡是需要自动回收的场景下都可以使用这种方式:在获取对象的时候将默认删除器改为自定义删除器,确保它可以回收。注意,回收的智能指针使用的是默认删除器,可以确保对象池释放时能正常释放对象。同时也将获取对象和释放对象时,对象的控制权完全分离。其他的一些应用场景:多例模式,无需手动释放,自动回收。 

作者简介:

祁宇,珠海云创科技研发中心技术总监,资深C++技术专家

致力于C++11的应用、研究和推广。珠海云创科技研发中心技术总监,负责公司云基础架构的研发。精通OOP、OOD、设计模式和重构,主要研究方向为架构设计和业务重构,有丰富的开发和研发管理经验。爱好C++,爱好开源,乐于研究和分享技术,开源了多个项目。

(责编/夏梦竹,关注编程语言和数据库领域,寻求报道或者投稿请发邮件xiamz@csdn.net)


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