深度剖析 C++ 對象池自動回收技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2015-11-30 11:14:59

對象池可以顯著提高性能，如果一個(gè)對象的創(chuàng)建非常耗時(shí)或非常昂貴，頻繁去創(chuàng)建的話會非常低效。對象池通過對象復(fù)用的方式來避免重復(fù)創(chuàng)建對象，它會事先創(chuàng)建一定數(shù)量的對象放到池中，當(dāng)用戶需要創(chuàng)建對象的時(shí)候，直接從對象池中獲取即可，用完對象之后再放回到對象池中，以便復(fù)用。

對象池類圖

ObjectPool：管理對象實(shí)例的pool。
Client：使用者。

適用性：

類的實(shí)例可重用。
類的實(shí)例化過程開銷較大。
類的實(shí)例化的頻率較高。

效果：

節(jié)省了創(chuàng)建類實(shí)例的開銷。
節(jié)省了創(chuàng)建類實(shí)例的時(shí)間。
存儲空間隨著對象的增多而增大。

問題

目前縱觀主流語言的實(shí)現(xiàn)方式無外乎3個(gè)步驟：

初始創(chuàng)建一定數(shù)量的對象池（也允許從外面添加對象）。
從對象池中取對象來使用。
用完之后返回對象池。

一般情況下這樣是OK的，可能存在的問題是在第三步，有兩個(gè)問題：

不方便，每次都需要顯式回收對象。
忘記將對象放回對象池，造成資源浪費(fèi)。

改進(jìn)動機(jī)

解決顯式回收的問題，實(shí)現(xiàn)自動回收，省心省力。改進(jìn)之后的對象池?zé)o須提供release方法，對象會自動回收，改進(jìn)之后的類圖如下。

技術(shù)內(nèi)幕

借助c++11智能指針，因?yàn)橹悄苤羔樋梢宰远x刪除器，在智能指針釋放的時(shí)候會調(diào)用刪除器，在刪除器中我們將用完的對象重新放回對象池。思路比較簡單，但實(shí)現(xiàn)的時(shí)候需要考慮兩個(gè)問題：

什么時(shí)候定義刪除器？
用shared_ptr還是unique_ptr？

1. 什么時(shí)候定義刪除器

自定義刪除器只做一件事，就是將對象重新放入對象池。如果對象池初始化的時(shí)候就自定義刪除器的話，刪除器中的邏輯是將對象放回對象池，放回的時(shí)候無法再定義一個(gè)這樣的刪除器，所以這種做法行不通。需要注意，回收的對象只能是默認(rèn)刪除器的。除了前述原因之外，另外一個(gè)原因是對象池釋放的時(shí)候需要釋放所有的智能指針，釋放的時(shí)候如果存在自定義刪除器將會導(dǎo)致對象無法刪除。只有在get的時(shí)候定義刪除器才行，但是初始創(chuàng)建或加入的智能指針是默認(rèn)刪除器，所以我們需要把智能指針的默認(rèn)刪除器改為自定義刪除器。

1.2 用shared_ptr還是unique_ptr

因?yàn)槲覀冃枰阎悄苤羔樀哪J(rèn)刪除器改為自定義刪除器，用shared_ptr會很不方便，因?yàn)槟銦o法直接將shared_ptr的刪除器修改為自定義刪除器，雖然你可以通過重新創(chuàng)建一個(gè)新對象，把原對象拷貝過來的做法來實(shí)現(xiàn)，但是這樣做效率比較低。而unique_ptr由于是獨(dú)占語義，提供了一種簡便的方法方法可以實(shí)現(xiàn)修改刪除器，所以用unique_ptr是最適合的。

1.3 實(shí)現(xiàn)源碼

#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; 
｝

如果你堅(jiān)持用shared_ptr，那么回收的時(shí)候你需要這樣寫：

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; 
}

這種方式需要每次都創(chuàng)建一個(gè)新對象，并且拷貝原來的對象，是一種比較低效的做法。代碼僅僅是為了展示如何實(shí)現(xiàn)自動回收對象，沒有考慮線程安全、對象池?cái)U(kuò)容策略等細(xì)節(jié)，源碼鏈接：object_pool

總結(jié)凡是需要自動回收的場景下都可以使用這種方式：在獲取對象的時(shí)候?qū)⒛J(rèn)刪除器改為自定義刪除器，確保它可以回收。注意，回收的智能指針使用的是默認(rèn)刪除器，可以確保對象池釋放時(shí)能正常釋放對象。同時(shí)也將獲取對象和釋放對象時(shí)，對象的控制權(quán)完全分離。其他的一些應(yīng)用場景：多例模式，無需手動釋放，自動回收。

責(zé)任編輯：王雪燕來源：祁宇