STL空间配置器——第二级配置器__default_alloc_template剖析

SGI第二级空间配置器较第一级空间配置器加入了内存池(memory pool)管理，即次层配置。当所申请的空间大于128bytes时，直接调用一级空间配置器处理，小于128bytes时，使用次层配置器管理。申请的空间不足8的倍数，默认提升为最近的8的整数倍的空间大小。

开篇

__default_alloc_template模板类的声明以及一些成员的初始化

//以下是第二级配置器
//notice:没有"template"类型参数，第二个参数没有派上用处
//第一个参数用于多线程环境下,目前不讨论
template <bool threads, int inst>
class __default_alloc_template
{
private:
    //ROUND_UP()将bytes提升至8的倍数
    static size_t ROUND_UP(size_t bytes)
    {
        return ((bytes + __ALIGN - 1) & ~(__ALIGN - 1));
    }
private:
    union obj       //free_lists节点构造
    {
        union obj * free_list_link;
        char client_data[1];
    };
private:
    //16个free_lists
    static obj * volatile free_list[__NFREELISTS];
    //根据区块大小，决定使用第n号free-list, n从1算
    static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes)
    {
        return (((bytes) + __ALIGN - 1) / __ALIGN - 1);
    }
    //返回一个大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到free list
    static void *refill(size_t n);
    //配置一大块空间，可容纳nobjs个大小为"size"的区块
    //如果配置nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低
    static char* chunk_alloc(size_t size, int& nobjs);

    // chunk allocation state
    static char *start_free;    //内存池起始位置
    static char *end_free;      //内存池结束位置
    static size_t heap_size;    

public:
    static void * allocate(size_t n);
    static void deallocate(void *p, size_t n);
    static void * reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz);
};
template <bool threads, int inst>
char *__default_alloc_template::start_free = 0;

template <bool threads, int inst>
char *__default_alloc_template::end_free = 0;

template <bool threads, int inst>
size_t __default_alloc_template::heap_size = 0;

template <bool threads, int inst>
typename __default_alloc_template::obj * volatile
__default_alloc_template::free_list[__NFREELISTS] = 
{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

第二级空间配置器的做法

一 当区块足够大，超过128bytes时，直接使用第一级空间配置器进行处理；

if(n > (size_t)__MAX_BYTES)
{
    return malloc_alloc::allocate(n);
}

二 当区块小于等于128bytes时，以内存池进行管理；

每次配置一大块内存，维护其对应的自由链表free_lists中16个free_list,每个free_list的union obj串的每一个节点都是8的倍数的内存，链表的结构如

union obj
{
    union obj * free_list_link;
    char client_data[1];
}
//一物两用，保存下一个free_list的指针,也保存实际区块的内容

free_lists的结构如图：

当所allocate的内存小于128bytes，调用allocate对于其实现，这里分为以下几种情况

1.如果free_list之内有可用区块，就直接拿来用

    obj * volatile *my_free_list;
    obj * result;
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = *my_free_list;
    //调整free list
    *my_free_list = result->free_list_link;
    return (result);

2.如果没有可用的free_list，则利用refill函数重新填充free list

    if(result == 0)
    {
        //没找到free_list,准备重新填充free list
        void *r = refill(ROUND_UP(n));
        //refill为free_list重新填充空间，新的空间取自内存池（由chunk_alloc()完成）
        return r;
    }

以下是完整代码阐述

template<bool threads, int inst>
void * __default_alloc_template::allocate(size_t n)
{
    obj * volatile *my_free_list;
    obj * result;
    //大于128字节就调用第一级配置器
    if(n > (size_t)__MAX_BYTES)
    {
        return malloc_alloc::allocate(n);
    }
    //寻找16个free lists中适当的一个
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = *my_free_list;
    if(result == 0)
    {
        //没找到free_list,准备重新填充free list
        void *r = refill(ROUND_UP(n));
        return r;
    }
    //调整free list
    *my_free_list = result->free_list_link;
    return (result);
}

---

以上是第二级空间配置器的总体解决办法，以下对refill()以及很关键的chunk_alloc()进行阐述。

三 refill()重新填充free lists

allocate获取可用区块，如果没有可用的free_lists,就要调用refill()填充空间，新的空间取自内存池(由chunk_alloc()完成),nobjs为20，以引用形式传入chunk_alloc即缺省取得20个新节点（新区块），当内存池空间不足，最终nobjs可能小于20.
refill函数做了两件事，一是利用chunk_alloc申请空间，二是将申请的空间第一个块传给客端，其他19(甚至更少)个块串起来
refill()实现是这样的：

1.调用chunk_alloc尝试获取20个可用区块

    int nobjs = 20;
    //调用chunk_alloc(),尝试取得nobjs个区块作为free_list的新节点
    //注意参数nobjs是pass by reference
    char * chunk = chunk_alloc(n, nobjs);

2.如果可用区块只有一个，直接返回给客端

    obj * volatile * my_free_list;
    obj * result;
    obj * current_obj, * next_obj;
    int i;

    //如果只获得一个区块，这个区块就分配给调用者，free_list无新节点
    if(1 == nobjs)
        return (chunk);

3.如果可用区块不只一个，调整free_list,纳入新节点

    //my_free_list指向自己在free_lists中的位置
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);

    //以下在chunk空间内建立free list
    result = (obj *)chunk;      //这一块准备返回给客端
    //以下导引free_list指向新配置的空间(取自内存池)
    *my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + n);
    //以下将free_list的各节点串接起来
    for(i = 1; ; i++)
    {
        //从1开始，因为第0个将返回给客端
        current_obj = next_obj;
        next_obj = (obj*)((char *)next_obj + n);
        if(nobjs - 1 == i)
        {
            current_obj->free_list_link = 0;
            break;
        }
        else
        {
            current_obj->free_list_link = next_obj;
        }

    }
    return (result);

4.如果chunk_alloc()申请不到空间，chunk_alloc()会抛出异常，这个异常是由一级空间配置器oom机制抛出的，下面再叙述

四 chunk_alloc()从内存池中取空间给free_list

chunk_alloc(）函数用end_free-start_free,来判断内存池剩余的水量

    char * result;
    size_t total_bytes = size * nobjs;
    size_t bytes_left = end_free - start_free;  //内存池剩余空间

分为以下几种情况

1.如果bytes_left满足需求量(即20个区块)，直接调出

    if(bytes_left >= total_bytes)
    {
        //内存池剩余空间完全满足需求量
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return (result);
    }

2.如果水量不足以提供20个区块，但足够提供一个及以上的区块，就把这段空间调出。这时,nobjs将被修改为实际能够提供的区块数

    else if(bytes_left >= size)
    {
        //内存池剩余空间不能完全满足需求量，但足够供应一个含以上区块
        nobjs = bytes_left / size;
        total_bytes = size * nobjs;
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return (result);
    }

3.如果内存池连一个区块都无法给客端提供，就调用malloc申请配置内存，新申请的空间是需求量的两倍与随着配置次数增加的附加量(即nobjs*size*2+附加量)；在申请之前，将内存池中残馀的零头回收

    size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);
        //以下试着让内存池的残馀零头还有利用价值
        if(bytes_left > 0)
        {
            //内存池还有一些零头，先配置给适当的free_list
            //首先寻找适当的free_list
            obj * volatile * my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
            //调整free_list,将内存池中的残馀空间编入
            ((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list;
            *my_free_list = (obj*)start_free;
        }

        //配置heap空间，用来补充内存池
        start_free = (char*)malloc(bytes_to_get);

当然也存在申请不成功的情况

此时如果“尚有可用区块，且区块足够大”，则调整free_list释出未用区块，这些残馀零头编入自己的free_list，调整nobjs

 int i;
            obj *volatile * my_free_list, *p;
            //搜索适当的fee_list
            //适当即"尚有未用区块。且区块足够大"
            for(i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN)
            {
                my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
                p = *my_free_list;
                if(0 != p)
                {
                    //free_list 内尚有未用区块
                    //调整free_list以释放未用区块
                    *my_free_list = p->free_list_link;
                    start_free = (char*)p;
                    end_free = start_free + i;

                    return (chunk_alloc(size, nobjs));
                }
            }
            end_free = 0;

如果没有，那就山穷水尽，调用一级配置器，看oom机制能否帮个忙，这样会产生两种可能抛出bad_alloc异常or内存不足的情况得到改善

start_free = (char*)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);

这几种情况，最后都需要调整内存池的始终start_free,end_free,以及heap_size，递归调用自身调整nobjs

        heap_size += bytes_to_get;
        end_free = start_free + bytes_to_get;

        return (chunk_alloc(size, nobjs));

如图：内存池实际操作

以下是chunk_alloc的完整代码

//假设size已经适当上调至8的倍数
//注意参数nobjs是pass bu reference
template <bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs)
{
    char * result;
    size_t total_bytes = size * nobjs;
    size_t bytes_left = end_free - start_free;  //内存池剩余空间

    if(bytes_left >= total_bytes)
    {
        //内存池剩余空间完全满足需求量
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return (result);
    }
    else if(bytes_left >= size)
    {
        //内存池剩余空间不能完全满足需求量，但足够供应一个含以上区块
        nobjs = bytes_left / size;
        total_bytes = size * nobjs;
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return (result);
    }
    else
    {
        //内存池剩余空间连一个区块额大小都无法提供
        size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);
        //以下试着让内存池的残馀零头还有利用价值
        if(bytes_left > 0)
        {
            //内存池还有一些零头，先配置给适当的free_list
            //首先寻找适当的free_list
            obj * volatile * my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
            //调整free_list,将内存池中的残馀空间编入
            ((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list;
            *my_free_list = (obj*)start_free;
        }

        //配置heap空间，用来补充内存池
        start_free = (char*)malloc(bytes_to_get);
        if(0 == start_free)
        {
            //heap空间不足，malloc()失败
            int i;
            obj *volatile * my_free_list, *p;
            //搜索适当的fee_list
            //适当即"尚有未用区块。且区块足够大"
            for(i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN)
            {
                my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
                p = *my_free_list;
                if(0 != p)
                {
                    //free_list 内尚有未用区块
                    //调整free_list以释放未用区块
                    *my_free_list = p->free_list_link;
                    start_free = (char*)p;
                    end_free = start_free + i;

                    return (chunk_alloc(size, nobjs));
                }
            }
            end_free = 0;
            start_free = (char*)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
        }
        heap_size += bytes_to_get;
        end_free = start_free + bytes_to_get;

        return (chunk_alloc(size, nobjs));
    }
}