可遍历内存池的数据结构

Question

我在C ++中实现了一个内存池，具有以下约束：

• 分配的元素应按行内容的顺序以线性时间遍历，以促进缓存重用。
• 需要释放元素（内存块）并将它们返回到内存池。

在实时程序的运行期间经常会发生分配和释放，因此需要尽快发生。

到目前为止，我已使用两个链接列表作为存根来实现此内存池，一个用于free，另一个用于已分配的元素。这是有效的，但当然非常慢，因为每次释放或分配元素时，元素都需要从一个列表中删除并添加到另一个列表中，这是线性的。我希望这更快。

我可以使用哪些数据结构尽可能高效地进行（de）分配？我正在考虑使用红黑树（或类似的平衡BST）来存储分配的元素，以及free元素的优先级队列。这将使分配和释放都为O（log n）。

关于如何改进此设计的任何建议？我可以使用其他数据结构？是否可以使用常量时间操作来创建内存池（具有上述约束）？

编辑：我应该澄清一下，这些数据结构仅用于存储和访问内存地址，内存块本身已经分配并且是连续的。

Answer 1

由于我们正在处理具有固定大小的内存块的内存池，因此可以按如下方式实现恒定时间操作。 ：

• 通过其对池的索引来识别每个内存块（内存块的地址可以通过block_address = base_address + index * block_size轻松地从该索引派生，反之亦然。）
• 具有元数据的数据结构（用于跟踪已分配和空闲的块）。符合要求的是固定大小的数组，其中的项目对应于每个内存块（由相同的索引标识）。嵌入在该数组中的是两个（双重）链表（一个用于分配，一个用于空闲块）。由于这些链接列表不重叠，因此它们可以使用相同的prev和next指针。

这如何符合要求：

• 线性时间遍历：内存块可以通过它们的索引遍历（作为元数据的一部分的空闲/分配标志在这种情况下可能是有用的），或者通过两者中的任何一个链接列表，取决于要求。迭代数组和链表是在线性时间内完成的。
• 常量时间分配：分配内存块意味着从空闲列表中获取第一个项目，并将其移动到已分配的列表中（例如，最终）。删除链接列表的第一项，并将项目附加到链接列表的末尾都是常量时间操作（假设指向链接列表的开头和/或结尾的指针 - 使列表循环可以帮助） 。然后返回块的索引/地址。
• 常量时间释放：解除分配内存块意味着通过索引识别相应的元数据项，并将其从分配的列表移动到空闲列表中（例如，最后）。通过索引从数组中获取项目，从（双重）链接列表中删除给定项目，并将项目附加到链接列表的末尾，都是常量时间操作。