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内存池
内存池的存在主要就是减少调用 malloc 或者 new 的次数，减少内存分配所带来的系统开销，提升性能。
LevelDB 中的内存池是由类 Arena 实现的。Arena 先向系统申请一块大的内存，当其他组件需要申请内存时，Arena 先将已有的内存块分配给组件，如果不够用则再申请一块大的内存。当内存池对象析构时，分配的内存均被释放，这保证了内存不会泄漏。
申请内存和分配内存的区别：
- 申请内存：向操作系统申请一块连续的内存空间。
- 分配内存；将已经申请的内存分配给其他组件使用。
成员变量
// 指向当前内存块未分配内存的起始地址的指针
char* alloc_ptr_;
// 记录当前内存块未分配内存的大小
size_t alloc_bytes_remaining_;// 每个内存块的地址都存储在 vector 中
std::vector<char*> blocks_;// 原子变量：记录当前对象的内存总量
std::atomic<size_t> memory_usage_;
如图所示，Arena 的成员变量 blocks_ 存储若干个指针，每个指针指向一块内存。alloc_ptr_ 指向当前内存块未分配内存的起始地址，alloc_bytes_remaining_ 为当前内存块未分配内存的大小。
static const int kBlockSize = 4096;
Arena 以内存块为单位来管理内存，每个内存块的大小 kBlockSize 为 4096 KB。
构造函数与析构函数
Arena::Arena()
: alloc_ptr_(nullptr), alloc_bytes_remaining_(0), memory_usage_(0) {}Arena::~Arena() {
for (size_t i = 0; i < blocks_.size(); i++) {
delete[] blocks_[i];
}
}
构造函数初始化所有的成员变量，保证不会使用未初始化的变量。
析构函数释放 blocks_ 中每个指针指向的内存块。
内存分配接口
Arena 提供了 3 个 public 函数来简化内存分配。
Arena 的内存分配策略有三种，当申请 bytes 大小的内存时：
- 如果
bytes小于等于当前内存块剩余内存，直接在当前内存块上分配内存； - 如果
bytes大于当前内存块剩余内存，调用AllocateFallback函数按照另外两种分配策略分配内存。
Allocate
inline char* Arena::Allocate(size_t bytes) {
// 不需要分配 0 字节的内存
assert(bytes > 0); // 申请的内存小于当前内存块剩余的内存，直接在当前内存块上分配内存
if (bytes <= alloc_bytes_remaining_) {
char* result = alloc_ptr_; // 从当前内存块中分配内存
alloc_ptr_ += bytes; // 计算当前内存块的剩余内存大小
alloc_bytes_remaining_ -= bytes;
return result;
} // 申请的内存大于当前内存块剩余的内存，使用 AllocateFallback 函数重新申请内存
return AllocateFallback(bytes);
}
Allocate 函数分配 bytes 大小的内存空间，返回指向所分配内存的指针。
AllocateAligned
char* Arena::AllocateAligned(size_t bytes) {
// 计算当前机器要对齐的字节数，最多 8 字节对齐，否则就按照当前机器的 void* 的大小来对齐
const int align = (sizeof(void*) > 8) ? sizeof(void*) : 8; // 字节对齐必须是 2 的次幂
// x & (x - 1) = 0 表示 x 是 2 的次幂
static_assert((align & (align - 1)) == 0,
"Pointer size should be a power of 2"); // A & (B - 1) = A % B
// reinterpret_cast<uintptr_t> 类型对应机器指针大小
size_t current_mod = reinterpret_cast<uintptr_t>(alloc_ptr_) & (align - 1); // 如果 current_mod = 0 表示 alloc_ptr_ 已经是字节对齐的
// 否则计算 align - current_mod，表示当前指针地址距离字节对齐的偏差
size_t slop = (current_mod == 0 ? 0 : align - current_mod); // 当前需要分配的字节大小加上对齐偏差就是最终需要分配的总大小
size_t needed = bytes + slop;
char* result; // 所需的内存小于当前内存块剩余的内存，直接在当前内存块上分配内存
if (needed <= alloc_bytes_remaining_) {
result = alloc_ptr_ + slop;
alloc_ptr_ += needed;
alloc_bytes_remaining_ -= needed;
} else {
// 所需的内存大于当前内存块剩余的内存，使用 AllocateFallback 函数重新申请内存
result = AllocateFallback(bytes);
} // 保证分配的内存起始地址是字节对齐的
assert((reinterpret_cast<uintptr_t>(result) & (align - 1)) == 0);
return result;
}
AllocateAligned 函数分配 bytes 大小的内存空间，且起始地址字节对齐，返回指向所分配内存的指针。
MemoryUsage
size_t MemoryUsage() const {
return memory_usage_.load(std::memory_order_relaxed);
}
MemoryUsage 函数返回当前分配给 Arena 对象的所有内存空间大小和所有指向内存块的指针大小之和。
内存分配内部实现
接上节中的 Arena 的内存分配策略，当申请 bytes 大小的内存时：
- 如果
bytes小于等于当前内存块剩余内存，直接在当前内存块上分配内存； - 如果
bytes大于当前内存块剩余内存：- 如果
bytes小于等于默认内存块大小的四分之一，新申请一个内存块，大小为默认内存块大小，在该内存块上分配内存； - 如果
bytes大于默认内存块大小的四分之一，新申请一个内存块，大小为bytes，分配内存。
- 如果
AllocateFallback
char* Arena::AllocateFallback(size_t bytes) {
// 调用 AllocateNewBlock 申请一块大小为 bytes 的新内存块
if (bytes > kBlockSize / 4) {
// 在新申请的内存块中分配全部内存
char* result = AllocateNewBlock(bytes);
return result;
} // 调用 AllocateNewBlock 申请一块大小为 kBlockSize 的新内存块
alloc_ptr_ = AllocateNewBlock(kBlockSize);
alloc_bytes_remaining_ = kBlockSize; // 在新申请的内存块中分配 bytes 大小的内存
char* result = alloc_ptr_;
alloc_ptr_ += bytes;
alloc_bytes_remaining_ -= bytes;
return result;
}
当申请的内存大于当前内存块剩余内存时，AllocateFallback 函数会被调用，用来按照后两种分配策略分配内存。
这两种分配策略可以进一步减少内存分配的次数，但同时每块最后 \(\frac{1}{4}\) 的空间有可能会被浪费。
AllocateNewBlock
char* Arena::AllocateNewBlock(size_t block_bytes) {
// 申请一个大小为 block_bytes 的内存块
char* result = new char[block_bytes]; // 将该内存块的地址添加到 blocks 中
blocks_.push_back(result); // 记录当前对象内存分配总量
memory_usage_.fetch_add(block_bytes + sizeof(char*),
std::memory_order_relaxed);
return result;
}
AllocateNewBlock 函数申请一个大小为 block_bytes 的内存块。
总结
当向 Arena 申请 bytes 大小的内存时：
- 如果
bytes小于等于当前内存块剩余内存，直接在当前内存块上分配内存； - 如果
bytes大于当前内存块剩余内存：- 如果
bytes小于等于默认内存块大小的四分之一，新申请一个内存块，大小为默认内存块大小，在该内存块上分配内存； - 如果
bytes大于默认内存块大小的四分之一，新申请一个内存块，大小为bytes，分配内存。
- 如果
