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。

 

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1. #include <queue>  
2. #include <vector>  
3. #include <stdexcept>  
4. #include <memory>  
5.   
6. using std::queue;  
7. using std::vector;  
8.   
9. //  
10. // template class ObjectPool  
11. //  
12. // Provides an object pool that can be used with any class that provides a  
13. // default constructor.  
14. //  
15. // The object pool constructor creates a pool of objects, which it hands out  
16. // to clients when requested via the acquireObject() method. When a client is  
17. // finished with the object it calls releaseObject() to put the object back  
18. // into the object pool.  
19. //  
20. // The constructor and destructor on each object in the pool will be called only  
21. // once each for the lifetime of the program, not once per acquisition and release.  
22. //  
23. // The primary use of an object pool is to avoid creating and deleting objects  
24. // repeatedly. The object pool is most suited to applications that use large   
25. // numbers of objects for short periods of time.  
26. //  
27. // For efficiency, the object pool doesn't perform sanity checks.  
28. // Expects the user to release every acquired object exactly once.  
29. // Expects the user to avoid using any objects that he or she has released.  
30. //  
31. // Expects the user not to delete the object pool until every object  
32. // that was acquired has been released. Deleting the object pool invalidates  
33. // any objects that the user had acquired, even if they had not yet been released.  
34. //  
35. template <typename T>  
36. class ObjectPool  
37. {  
38.  public:  
39.   //  
40.   // Creates an object pool with chunkSize objects.  
41.   // Whenever the object pool runs out of objects, chunkSize  
42.   // more objects will be added to the pool. The pool only grows:  
43.   // objects are never removed from the pool (freed), until  
44.   // the pool is destroyed.  
45.   //  
46.   // Throws invalid_argument if chunkSize is <= 0.  
47.   //  
48.   ObjectPool(int chunkSize = kDefaultChunkSize)  
49.     throw(std::invalid_argument, std::bad_alloc);  
50.   
51.   //  
52.   // Frees all the allocated objects. Invalidates any objects that have  
53.   // been acquired for use.  
54.   //  
55.   ~ObjectPool();  
56.   
57.   //  
58.   // Reserve an object for use. The reference to the object is invalidated  
59.   // if the object pool itself is freed.  
60.   //   
61.   // Clients must not free the object!  
62.   //  
63.   T& acquireObject();  
64.   
65.   //  
66.   // Return the object to the pool. Clients must not use the object after  
67.   // it has been returned to the pool.  
68.   //  
69.   void releaseObject(T& obj);  
70.   
71.  protected:  
72.   //  
73.   // mFreeList stores the objects that are not currently in use  
74.   // by clients.  
75.   //  
76.   queue<T*> mFreeList;  
77.   //  
78.   // mAllObjects stores pointers to all the objects, in use  
79.   // or not. This vector is needed in order to ensure that all  
80.   // objects are freed properly in the destructor.  
81.   //  
82.   vector<T*> mAllObjects;  
83.   
84.   int mChunkSize;  
85.   static const int kDefaultChunkSize = 10;  
86.   
87.   //  
88.   // Allocates mChunkSize new objects and adds them  
89.   // to the mFreeList.  
90.   //  
91.   void allocateChunk();  
92.   static void arrayDeleteObject(T* obj);  
93.   
94.  private:  
95.   // Prevent assignment and pass-by-value  
96.   ObjectPool(const ObjectPool<T>& src);  
97.   ObjectPool<T>& operator=(const ObjectPool<T>& rhs);  
98. };  
99.   
100. template<typename T>  
101. const int ObjectPool<T>::kDefaultChunkSize;  
102.   
103. template <typename T>  
104. ObjectPool<T>::ObjectPool(int chunkSize) throw(std::invalid_argument,  
105.     std::bad_alloc) : mChunkSize(chunkSize)  
106. {  
107.     if (mChunkSize <= 0) {  
108.         throw std::invalid_argument("chunk size must be positive");  
109.     }  
110.     // Create mChunkSize objects to start  
111.     allocateChunk();  
112. }  
113.   
114. //  
115. // Allocates an array of mChunkSize objects because that's  
116. // more efficient than allocating each of them individually.  
117. // Stores a pointer to the first element of the array in the mAllObjects  
118. // vector. Adds a pointer to each new object to the mFreeList.  
119. //  
120. template <typename T>  
121. void ObjectPool<T>::allocateChunk()  
122. {  
123.     T* newObjects = new T[mChunkSize];  
124.     mAllObjects.push_back(newObjects);  
125.     for (int i = 0; i < mChunkSize; i++) {  
126.         mFreeList.push(&newObjects[i]);  
127.     }  
128. }  
129.   
130. //  
131. // Freeing function for use in the for_each algorithm in the  
132. // destructor.  
133. //  
134. template<typename T>  
135. void ObjectPool<T>::arrayDeleteObject(T* obj)  
136. {  
137.     delete [] obj;  
138. }  
139.   
140. template <typename T>  
141. ObjectPool<T>::~ObjectPool()  
142. {  
143.     // free each of the allocation chunks  
144.     for_each(mAllObjects.begin(), mAllObjects.end(), arrayDeleteObject);  
145. }  
146.   
147. template <typename T>  
148. T& ObjectPool<T>::acquireObject()  
149. {  
150.     if (mFreeList.empty()) {  
151.         allocateChunk();  
152.     }  
153.     T* obj = mFreeList.front();  
154.     mFreeList.pop();  
155.     return (*obj);  
156. }  
157.   
158. template <typename T>  
159. void ObjectPool<T>::releaseObject(T& obj)  
160. {  
161.     mFreeList.push(&obj);  
162. }  

       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：

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1. template<typename T>  
2. 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。

[cpp] view plaincopy

1. template <typename T>  
2. ObjectPool<T>::ObjectPool(int chunkSize) throw(std::invalid_argument,  
3.     std::bad_alloc) : mChunkSize(chunkSize)  
4. {  
5.     if (mChunkSize <= 0) {  
6.         throw std::invalid_argument("chunk size must be positive");  
7.     }  
8.     // Create mChunkSize objects to start  
9.     allocateChunk();  
10. }  

     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。

[cpp] view plaincopy

1. //  
2. // Allocates an array of mChunkSize objects because that's  
3. // more efficient than allocating each of them individually.  
4. // Stores a pointer to the first element of the array in the mAllObjects  
5. // vector. Adds a pointer to each new object to the mFreeList.  
6. //  
7. template <typename T>  
8. void ObjectPool<T>::allocateChunk()  
9. {  
10.     T* newObjects = new T[mChunkSize];  
11.     mAllObjects.push_back(newObjects);  
12.     for (int i = 0; i < mChunkSize; i++) {  
13.         mFreeList.push(&newObjects[i]);  
14.     }  
15. }  

     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。

[cpp] view plaincopy

1. //  
2. // Freeing function for use in the for_each algorithm in the  
3. // destructor.  
4. //  
5. template<typename T>  
6. void ObjectPool<T>::arrayDeleteObject(T* obj)  
7. {  
8.     delete [] obj;  
9. }  
10.   
11. template <typename T>  
12. ObjectPool<T>::~ObjectPool()  
13. {  
14.     // free each of the allocation chunks  
15.     for_each(mAllObjects.begin(), mAllObjects.end(), arrayDeleteObject);  
16. }  

     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( ) 。

[cpp] view plaincopy

1. template <typename T>  
2. T& ObjectPool<T>::acquireObject()  
3. {  
4.     if (mFreeList.empty()) {  
5.         allocateChunk();  
6.     }  
7.     T* obj = mFreeList.front();  
8.     mFreeList.pop();  
9.     return (*obj);  
10. }  

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

[cpp] view plaincopy

1. template <typename T>  
2. void ObjectPool<T>::releaseObject(T& obj)  
3. {  
4.     mFreeList.push(&obj);  
5. }  

     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。

[cpp] view plaincopy

1. class UserRequest  
2. {  
3. public:  
4.   UserRequest() {}  
5.   ~UserRequest() {}  
6.   
7.   // Methods to populate the request with specific information.  
8.   // Methods to retrieve the request data.  
9.   // (not shown)  
10.            
11. protected:  
12.   // data members (not shown)  
13. };  

     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：

[cpp] view plaincopy

1. UserRequest& obtainUserRequest(ObjectPool<UserRequest>& pool)  
2. {  
3.   // Obtain a UserRequest object from the pool  
4.   UserRequest& request = pool.acquireObject();  
5.   
6.   // populate the request with user input  
7.   // (not shown)  
8.   
9.   return (request);  
10. }  
11.   
12. void processUserRequest(ObjectPool<UserRequest>& pool, UserRequest& req)  
13. {  
14.   // process the request  
15.   // (not shown)  
16.   
17.   // return the request to the pool  
18.   pool.releaseObject(req);  
19. }  
20.   
21. int main(int argc, char** argv)  
22. {  
23.   ObjectPool<UserRequest> requestPool(1000);  
24.   
25.   // Set up program  
26.   // (not shown)  
27.   
28.   while (true /* program is running */) {  
29.     UserRequest& req = obtainUserRequest(requestPool);  
30.     processUserRequest(requestPool, req);  
31.   }  
32.   
33.   return (0);  
34. }  

     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。