浅谈C++容器效率的优化

作者：岳知涵

在NOIP中，C++的容器的用途非常广泛，但经常因常数过大而超时。怎样才能提高它们的效率呢？我们知道，容器是存储同一类对象的对象，既然“对象”我们无法改变，那么我们只能从“存储”入手，不难想到，不同容器在实现上的根本区别是它们对应着不同的内存组织方式，内存管理无疑是这种实现的核心，所以优化内存管理是加快容器效率的最好途径之一。

一、内存分配器简介

怎样才能优化内存管理呢？很简单，C++为我们提供了这样的接口，我们可以通过自定义容器模板中的最后一个allocator内存分配器来提高容器效率，在默认情况下，alloc为allocator，allocator是C++的用于泛型化内存分配的模板，它在申请小空间时通常很快（比new运算符快一些），又因为自定义一般化的内存分配器（可自行查询“内存池”的资料）需要较大的代码量，而且效率未必高，所以本文我们只讨论某些特殊情况下的内存分配。

二、编写内存分配模板

下面我们来编写一个简单的内存分配器，为了简单起见，我们继承C++的allocator：

template
struct myalloc:allocator

构造函数是必不可少的：

myalloc(){}
template//别忘记写模板，下同
myalloc(const myalloc &a){}
template
myalloc& operator=(const myalloc &a)
{
	return *this;
}

由于继承了allocator，所以一定要把rebind覆盖掉，否则other分配器将是allocator，而不是myalloc：
template

template
struct rebind
{
	typedef myalloc other;
};

接下来我们将讨论一下：如何实现T* allocate(size_t n)和void deallocate(T* p,size_t n)成员函数。我们只研究内存分配的最简单情况：不回收内存分配和定长内存分配。

三、不回收内存分配
回想一下链表的写法，在竞赛中最常见的实现往往是用数组模拟链表，存储链表的空间是从一个足够大的数组中得到的，这样编写快、效率也高。于是我们得到了主要思想：化动为静！我们一次性预留足够大的“线性”空间，申请内存时从“线”的开头截掉一部分，记录开头的位置即可。思路很直观，实现也很简单。

开一个足够大的数组space，用space_len记录已经分配到的空间大小，注意space必须是全局变量，如果写在类里的话，那么这个类每次实例化都会重复占用空间，很可能超过内存限制。

char space[10000000];
int space_len=0;

可以写allocate函数了，n表示需要的空间大小，函数返回申请到的空间首地址：

T* allocate(size_t n)
{
	T *result=(T*)(space+space_len);
	space_len+=n*sizeof(T);
	return result;
}

然后把void deallocate(T* p,size_t n){}留空，短短几行代码就完成了一个不回收的内存分配器。

四、定长内存分配

在要申请的内存长度确定的情况下，我们可以完成内存释放函数以节省内存空间。内存释放的根本目的是将释放的内存用于下一次申请，由于我们要的内存是定长的，所以保存一下刚刚释放掉的内存地址，下次申请时直接返回这个地址不就可以了？我们用栈来保存地址：

int stack[10000000],stack_len=0;

释放很简单：

void deallocate(T* p,size_t n)
{
	stack[stack_len++]=(int)p; 
}

再修改一下申请函数：

T* allocate(size_t n)
{
	if(stack_len!=0)
		return (T*)stack[--stack_len];
	else
	{
		T *result=(T*)(space+space_len);
		space_len+=n*sizeof(T);
	return result;
	}
}

五、效率对比

大功告成！分配效率如何呢？这里用list进行效率测试：

int start=clock();
list > L;
for(int i=0;i<800000;++i)
{
	L.push_back(500);
	L.pop_back();
}
cout << "myalloc:" << (double)(clock()-start)/CLOCKS_PER_SEC << endl;

start=clock();
list L2;
for(int i=0;i<800000;++i)
{
	L2.push_back(500);
	L2.pop_back();
}
cout << "allocator:" << (double)(clock()-start)/CLOCKS_PER_SEC << endl;

笔者测试结果：
myalloc:0.063
allocator:0.203
我们的myalloc比默认的allocator快了近三倍！

那么它在实际应用中的效果如何呢？笔者用NOIP2012提高组的drive测试了一下，其中用到了一个list，最后4个点会超时，最慢的一个用时1.33秒，用刚刚介绍的定长内存分配器优化，最慢的一个点仅用时0.62秒。

六、注意事项
上文介绍的内存分配器缺少对内存上限的处理，因为有时我们并不清楚要开多大的space才够，所以当内存不足时通常要进行额外处理，用allocator来分配内存以防止内存泄露是个不错的选择，请读者自己完善代码。
另外有些C++容器允许通过reserve成员函数预留内存，避免不必要的重复申请操作，这也是一个很有效的优化方法。