深度剖析 C++ 对象池自动回收技术实现

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

如果你坚持用shared_ptr,那么回收的时候你需要这样写:

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。

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