《STL源码剖析》读书笔记(四)

空间配置器 allocator

在STL中，所有的元素都是存放在容器中，容器需要配置空间来储存这些数值，因此需要用到空间配置器。

概览

• SGI的空间配置器
  
  • SGI标准的空间配置器是allocator, 只是对基层内存配置/释放行为(对运算符new/delete)进行了一层薄薄的封装，没有考虑到效率上的优化。
  • SGI特殊的空间配置器是alloc，
    SGI以malloc()和free()完成内存的配置和释放。考虑到小型区块可能造成内存破碎问题，SGI设计了双层级配置器。第一层直接用malloc和free，第二级配置器视情况采用不同策略。如果配置区别大于128bytes，选用第一级配置器；当小于128bytes时，采用复杂的memory pool的整理方式。是否同时开放第二级配置器，取决于__USE_MALLOC是否被定义。

精细分工

• STL Allocator的精细分工
  stl_construct.h
  内存配置：allocate();
  内存释放前进行对象的析构：destroy()，调用析构函数;
  stl_alloc.h
  内存配置后进行对象的构造:construct(),placement new调用构造函数;
  内存释放: deallocate();
  stl_uninitialized.h
  定义一些全域函式，用来填充(fill)或者复制(copy)大块的内存内容。

• stl_construct.h
  construct()接收一个指针和一个初始值value，用途是将初值设定到指针所指的空间上
  destroy有两个版本，版本1接受一个指针，准备将该指针所指之物析构掉；版本2是接收first和last两个迭代器，将[first,last)范围内所有对象析构掉

• std::alloc(设置配置器)
  SGI用malloc和free这2个C函数代替完成内存的申请和释放。考虑到内存碎片问题，SGI设计了两级配置器，第一级直接使用malloc和free，包括了内存不足处理机制，需要调用者自己提供。第二级判断配置区超过128字节，调用第一级配置器。小于128字节，采用内存池管理
  
  

双层级配置器

• 第一级配置器
  __malloc_alloc_template
  SGI第一级配置器的allocate()和realloc()使用malloc与free来配置和释放内存。调用不成功后，会调用oom_malloc()和oom_realloc()。后两个函数都有内循环，不断调用“内存不足处理例程”，期待在某次调用后获得足够内存而圆满完成任务。设定“内存不足处理例程”是客端的责任。

• 第二级配置器
  __default_alloc_template
  当区块小于128byte，交由第二级配置器处理。用内存池(memory pool)来管理。也叫次层配置(sub-allocation)

  • 实现方式

    • 每次配置一大块内存，并维护对应的自由链表
    • 如果下次有相同大小的内存需求，就从free-list中拨出
    • 如果客端释放小额区块，就由配置器回收到free-list中
    • SGI第二级配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数。它维护16个free-lists，各自管理大小分别为8,16,24,32，…,128byte的小额区块。
    • 节点结构
      

      //利用union的性质使得链表既是指针又是实际区块
      union obj
      {
          union obj * free_list_link;
          char client_data[1];       //柔性数组
      };

  • 内存池
    chunk_alloc的工作：从内存池中取空间给free-list使用。

    if(内存池水量足够)
        直接调出20个区块给free list
    else if(内存池水量还足够提供至少1个区块)
        调出实际能够供应的区块
    else
        利用malloc()向堆heap中配置内存，为内存池注入源头活水以应付需求。一般申请为需求量的两倍，再加上随着配置次数增加而越来越大的附加量
        if(heap的空间也不够)
            malloc()失败，调用第一级配置器中的out of memory处理机制,或许有机会释放其内存拿来此处使用。如果可以就成功，否则发出bad_alloc异常。

相关问题

• STL里面空间分配是怎么样的？
  STL中用allocator类来实现空间分配，有一级配置器二级配置器,根据一个环境组态来确定使用哪一级的配置器。SGI STL将alloc设置为第二级配置器。

• 如果用让你写一个STL的空间配置器，这个配置器需要经常分配大量的小内存，但大量的分配小内存会造成内存碎片，你会怎么解决这个问题？那如果用你实现的配置器分配的空间是怎么释放的？
  参考：可以说一些二级配置器是怎么实现的，可以参照STL特有的空间配置器alloc的设计

  1. 针对于小内存的问题，可以像第二级配置器一样来实现，用内存池来管理。每次配置一大块内存，然后维护16个自由链表free-lists。每个链表会维护若干个小额区块，每个小额区块的大小是8的倍数。
  2. 如果自由链表里的小额区块不够了，利用chunk_alloc(size,num)，从内存池中取空间给free-list使用（参考上面的内存池内容）
  3. 如果客端申请需求量小于128byte，会将申请的内存需求量上调至8的倍数，然后再查找对应的自由链表中的小额区块。如果大于128byte，就用第一级配置器的allocate()函数，直接用malloc来配置内存。
  4. 释放内存时，如果释放量小于128byte，配置器会将它归还到对应的自由链表中。如果大于128byte，就用第一级配置器的deallocate()函数，直接用free来释放内存。