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固定尺寸内存块的缓冲队列类及C++实现源码
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标题: 固定尺寸内存块的缓冲队列类及实现源码
作者: 叶飞虎
日期: 2014.10.21
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在一般的线性操作应用中(如: 接收缓冲区), 可能需要频繁分配和释放内存块, 频繁操
作会给系统带来很大开销, 如何减少系统开销? 通过拉大分配和释放之间间距来降低操作的
频度, 从而达到减少系统开销。
拉大分配和释放之间间距的方法有很多, 可以通过大内存块自己管理, 也可以通过内存
块缓冲队列。本文着重讲内存块缓冲队列, 涉及队列就会考虑到无锁进出队列, 即进队列和
出队列在二个线程中可以同时操作。无锁队列的实现方法有很多, 有数组方式的环形无锁队
列, 也有链接方式的无锁队列。数组方式在队列容量确定时比较适合, 而链接方式更适合于
队列容量可变情况, 适用性更好。
数组方式无锁队列见我的博文 <在一读一写限制下，无锁环形队列如何实现？>
链接方式无锁队列见我的博文 <一读一写情况下，无锁队列如何实现？>
本文讲的缓冲队列为链接方式, 链接方式一般通过预分配一个结点作为接力点来实现无
锁队列, 优点是实现简单, 缺点是浪费一个结点的内存, 当结点内存块尺寸较大时浪费就大
了。如何不浪费一个结点内存的链接方式无锁队列? 当队列中只有一个结点时, 本缓冲队列
中使用了原子锁进行操作, 这是一种平衡策略, 若读者有更好方法不妨告之一下!
固定尺寸内存块的缓冲队列类(TKYCache)源码如下:
// =======================================
// Unit : 固定尺寸的内存块缓冲
// Version: 3.0.0.0 (build 2014.10.21)
// Author : Kyee Ye
// Email : kyee_ye(at)126.com
// Copyright (C) Kyee workroom
// =======================================
#ifndef _KYCache_H_
#define _KYCache_H_
#include "KYObject.h"
// KYLib 2.0 开始使用 KYLib 命名空间
namespace KYLib
{
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
/* TKYCache - 固定尺寸的内存块缓冲类 */
// 注:
// 1. 为了多线程存取安全, New 和 Delete 分属二个线程时可以同时操作而不需要加锁,
// 但多线程 New 时必须用锁控制, 多线程 Delete 时必须用锁控制!
// 2. 此缓冲类一般应用于线性操作的类中, 以减少频繁分配和释放内存的缓冲使用.
class TKYCache
{
private:
// 内存块的链接
typedef struct
{
void* Self; // 内存块所属对象
void* Next; // 下一块
} TLink, *PLink;
public:
// 构造函数
// 1. ABlockSize 内存块的固定尺寸, 取值范围: [0x40..0x40000000]
// 2. AMaxCount 内存块缓冲的最大个数
TKYCache(long ABlockSize = 1024, long AMaxCount = 256);
virtual ~TKYCache();
// 属性
long Count() const { return FPushCount - FPopCount; }
long MaxCount() const { return FMaxCount; } // default: AMaxCount
long BlockSize() const { return FBlockSize; } // default: ABlockSize
// 设置内存块缓冲的最大个数
void SetMaxCount(long AMaxCount)
{ FMaxCount = (AMaxCount >= 0) ? AMaxCount : 0; }
// 分配固定尺寸的内存块
void* New()
{
TLink* pItem = DoNew();
return (pItem != NULL) ? (char*)pItem + sizeof(TLink) : NULL;
}
// 释放固定尺寸的内存块
void Delete(void* ABlock)
{
if (ABlock != NULL)
{
TLink* pItem = (TLink*)((char*)ABlock - sizeof(TLink));
if (pItem->Self == this)
DoDelete(pItem);
}
}
private:
// 执行分配/释放带链接的内存块
TLink* DoNew();
void DoDelete(TLink* ALink);
// 执行清除缓冲队列
void DoClear(TLink* AHead);
private:
TLink* FHead; // 缓冲的头链接
TLink* FTail; // 缓冲的尾链接
long FFlag; // 缓冲队列标志
long FMaxCount; // 缓冲最大个数
long FBlockSize; // 内存块的尺寸
Longword FPushCount; // 压入缓冲计数
Longword FPopCount; // 弹出缓冲计数
};
}
#endif
// =======================================
// Unit : 固定尺寸的内存块缓冲
// Version: 3.0.0.0 (build 2014.10.21)
// Author : Kyee Ye
// Email : kyee_ye(at)126.com
// Copyright (C) Kyee workroom
// =======================================
#include <malloc.h>
#include "KYCache.h"
// KYLib 2.0 开始使用 KYLib 命名空间
namespace KYLib
{
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
/* TKYCache - 固定尺寸的内存块缓冲类 */
// ---------------- 构造函数和析构函数 ----------------
// 构造函数
TKYCache::TKYCache(long ABlockSize, long AMaxCount)
{
// 初始化
FHead = NULL;
FTail = NULL;
FFlag = 0;
FPushCount = 0;
FPopCount = 0;
// 设置缓冲最大个数
FMaxCount = (AMaxCount >= 0) ? AMaxCount : 0;
// 设置内存块的尺寸
if (ABlockSize <= 0x40)
FBlockSize = 0x40;
else if (ABlockSize <= 0x40000000)
FBlockSize = ABlockSize;
else
FBlockSize = 0x40000000;
}
// 析构函数
TKYCache::~TKYCache()
{
// 执行清除缓冲队列
if (FPopCount != FPushCount)
{
FPopCount = FPushCount;
DoClear(FHead);
}
}
// ---------------- 私有函数 ----------------
// 执行分配带链接的内存块
TKYCache::TLink* TKYCache::DoNew()
{
// 初始化
TLink* result = NULL;
// 判断缓冲队列是否为空
if (FPopCount == FPushCount)
result = (TLink*)malloc(sizeof(TLink) + FBlockSize);
else if (FPushCount - FPopCount != 1)
{
// 取第一项, 并且计数加 1
result = FHead;
FHead = (TLink*)result->Next;
FPopCount++;
}
else
{
// 取第一项
result = FHead;
// 判断是否需要等待, 防止 DoDelete 冲突
if (InterlockedIncrement(&FFlag) == 1)
{
FPopCount++;
if (FPopCount == FPushCount)
{
FHead = NULL;
FTail = NULL;
}
InterlockedDecrement(&FFlag);
}
else
{
FPopCount++;
InterlockedDecrement(&FFlag);
// 循环等待 FPushCount 变化
while (FPopCount == FPushCount)
Sleep(1);
}
// 修改缓冲的头链接
if (result->Next != NULL)
FHead = (TLink*)result->Next;
}
// 初始化链接项
if (result != NULL)
{
result->Self = this;
result->Next = NULL;
}
// 返回结果
return result;
}
// 执行释放带链接的内存块
void TKYCache::DoDelete(TLink* ALink)
{
// 判断是否已满
if (FPushCount - FPopCount >= (Longword)FMaxCount)
free(ALink);
else
{
// 置空
ALink->Next = NULL;
// 引用计数加 1, 若不等于 1 则等待 DoNew 变成 1
if (InterlockedIncrement(&FFlag) != 1)
while (FFlag != 1)
Sleep(0);
// 判断是否为第一项
if (FTail == NULL)
{
FTail = ALink;
FHead = ALink;
}
else
{
FTail->Next = ALink;
FTail = ALink;
}
// 计数加 1, 且引用计数减 1(注: 顺序不能改, 否则可能会导致DoNew死循环)
FPushCount++;
InterlockedDecrement(&FFlag);
}
}
// 执行清除缓冲队列
void TKYCache::DoClear(TLink* AHead)
{
// 初始化
void* pCurr;
// 循环释放
while (AHead != NULL)
{
pCurr = AHead;
AHead = (TLink*)AHead->Next;
// 释放
free(pCurr);
}
}
}
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