SGI STL空间配置器-第一级空间配置器

一、SGI STL配置器简介
如果要了解STL的实现，必须要了解空间配置器，因为整个STL的操作对象都放在容器之内，而容器一定需要配置空间以存放数据等资料。allocator叫做空间配置器而不是内存配置器，因为空间不一定是内存，也可以是磁盘或者其他辅助存储介质。可以写一个allocator直接向硬盘取空间。当然这里介绍的allocator配置的是内存。
二、SGI标准的空间配置器
其实SGI也定义了一个符合部分标准，名为allocator的配置器，但是它自己不使用，也不建议我们使用，主要原因是效率不佳。它只是把C++的操作符::operator new和::operator delete做了一层简单的封装而已。下面是代码，可以看出空间配置器的标准接口，提供了默认的构造器、复制、析构等接口。另外这里的SGI版本的allocator仅仅对底层的内存配置/释放行为（::operator new和::operator delete）做了一层简单的包装，没有效率上的强化。

#ifndef DEFALLOC_H  
#define DEFALLOC_H

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   


template <class T>  
inline T* allocate(ptrdiff_t size, T*) {  
    set_new_handler(0);  
    T* tmp = (T*)(::operator new((size_t)(size * sizeof(T))));  
    if (tmp == 0) {  
    cerr << "out of memory" << endl;   
    exit(1);  
    }  
    return tmp;  
}  


template <class T>  
inline void deallocate(T* buffer) {  
    ::operator delete(buffer);  
}  

template <class T>  
class allocator {  
public:  
    typedef T value_type;  
    typedef T* pointer;  
    typedef const T* const_pointer;  
    typedef T& reference;  
    typedef const T& const_reference;  
    typedef size_t size_type;  
    typedef ptrdiff_t difference_type;  

    pointer allocate(size_type n) {   
    return ::allocate((difference_type)n, (pointer)0);  
    }  
    void deallocate(pointer p) { ::deallocate(p); }  
    pointer address(reference x) { return (pointer)&x; }  
    const_pointer const_address(const_reference x) {   
    return (const_pointer)&x;   
    }  
    size_type init_page_size() {   
    return max(size_type(1), size_type(4096/sizeof(T)));   
    }  
    size_type max_size() const {   
    return max(size_type(1), size_type(UINT_MAX/sizeof(T)));   
    }  
};  

class allocator<void> {  
public:  
    typedef void* pointer;  
};  

#endif 

三、SGI特殊的空间配置器alloc
一般而言，我们所习惯的C++内存配置操作和释放操作是这样的：

 class Foo｛...｝；
 Foo* pf = new Foo;  //配置内存，然后构造对象
 delete              //将对象析构，释放内存

通常，C++中用new操作符来分配内存都包括两个阶段（如上）：
（1）调用::operator new配置内存
（2）调用构造函数Foo::Foo()来构造对象内容

同理，delete操作也包括两个阶段：
（1）调用析构函数Foo::~Foo()将对象析构
（2）调用::operator delete释放内存

为了精密分工，SGI allocator将两个阶段分开：
内存配置操作由alloc:allocate负责，内存释放由alloc:deallocate负责；对象构造操作由::contructor()负责，对象析构由::destroy()负责。
配置器定义在头文件中，它里面又包括两个文件：

#include         // 负责内存空间的配置和器释放  
#include         // 负责对象的构造和析构  

下图显示了其结构：

1、对象的建构和结构函数construct()和destroy()
下图显示了这两个函数的结构和功能。他们被包含在头文件stl_construct.h中。

函数construct()使用了定位new操作符，其源代码：

template <class T1, class T2>  
inline void construct(T1* p, const T2& value) {  
  new (p) T1(value);    // 定为new操作符placement new; 在指针p所指处构造对象  
}

函数destroy则有两个版本。
第一个版本较简单，接受一个指针作为参数，直接调用对象的析构函数即可，其源代码：

template   
inline void destroy(T* pointer) {  
    pointer->~T();   // 调用析构函数  
} 

第二个版本，其参数接受两个迭代器，将两个迭代器所指范围内的所有对象析构掉。而且，它采用了trivial编程技法(这里有介绍http://blog.csdn.net/mmshixing/article/details/51657168)：依据元素的型别，判断其是否有trivial destructor（无用的析构函数）进行不同的处理。这也是为了效率考虑。因为如果每个对象的析构函数都是trivial的，那么调用这些毫无作用的析构函数会对效率造成影响。
下面看其源代码：

//destroy()第二个版本，接受两个迭代器。此函数设法找出元素的数值型别  
//然后利用__type_trivial<>求取最适当措施。  
Template   
Inline void destroy(ForwardInterator first,ForwardInterator last, T*)  
{  
    Typedef typename __type_traits::has_trivial_destructor trivial_destructor;  
    __destroy_aux(first, last, trivial_destructor());  
}  

//下面是对__destroy_aux的重载，第三个参数分别为__true_type、__false_type  
//如果元素的数值型别（value type）有non-trivial 函数  
Template   
Inline void  
__destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __false_type) {  
    for( ; first < last ; ++first)  
        destroy(&*first);  //对[first, last)范围的多有对象析构掉！  

}  

//如果元素的数值型别（value type）有trivial 函数  
Template    
Inline void __destroy_aux(ForwardIterator, ForwardIterator, __true_type) {}//什么也不做  

2、空间的配置和释放,std::alloc
对象构造前的空间分配和析构后的空间释放，定义在头文件

template<class T, class Alloc>  
class simple_alloc {  

public:  
    static T *allocate(size_t n)  
                { return 0 == n? 0 : (T*) Alloc::allocate(n * sizeof (T)); }  
    static T *allocate(void)  
                { return (T*) Alloc::allocate(sizeof (T)); }  
    static void deallocate(T *p, size_t n)  
                { if (0 != n) Alloc::deallocate(p, n * sizeof (T)); }  
    static void deallocate(T *p)  
                { Alloc::deallocate(p, sizeof (T)); }  
};  

SGI STL容器全部是使用这个simple_alloc接口。

第一级和第二级配置器之间的关系如下图所示：

第一级和第二级配置器的包装接口和运用方式如下：

第一级配置器__malloc_alloc_template剖析
第一级配置器直接使用malloc(),free(),realloc()等C函数执行实际的内存配置、释放、重配置操作，并实现出类似C++ new handler机制。它有独特的out-of-memory内存处理机制：在抛出std::bad_alloc异常之前，调用内存不足处理例程尝试释放空间，如果用户没有定义相应的内存不足处理例程，那么还是会抛出异常。详细实现见函数oom_malloc(),oom_realloc()。
内存不足处理例程保存在函数指针__malloc_alloc_oom_handler里面。内存不足处理函数，由程序猿自己通过new-handler自己设计，在头文件中这样定义
typedef void (*new_handler)();
new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();
这个在《effctive c++》第二版条款7中有详细说明。
下面列出第一级配置器__malloc_alloc_template代码：

#if 0   
#   include    
#   define  __THROW_BAD_ALLOC throw bad_alloc   
#elif !defined(__THROW_BAD_ALLOC)   
#   include    
#   define  __THROW_BAD_ALLOC cerr << "out of memory" << endl; exit(1)   
#endif   

// malloc-based allocator. 通常比稍后介绍的 default alloc 速度慢，   
//一般而言是 thread-safe，并且对于空间的运用比较高效（efficient）。   
//以下是第一级配置器。   
//注意，无「template 型别参数」。至于「非型别参数」inst，完全没派上用场。  
template <int inst>     
class __malloc_alloc_template {   

private:   
//以下都是函式指标，所代表的函式将用来处理内存不足的情况。   
// oom : out of memory.   
static void *oom_malloc(size_t);   
static void *oom_realloc(void *, size_t);   
static void (* __malloc_alloc_oom_handler)();   

public:   

static void * allocate(size_t n)   
{   
    void  *result =malloc(n);//第一级配置器直接使用 malloc()   
    // 以下，无法满足需求时，改用 oom_malloc()   
    if (0 == result) result = oom_malloc(n);   
    return  result;   
}   
static void deallocate(void *p, size_t /* n */)   
{   
free(p); //第一级配置器直接使用 free()   
}   

static void * reallocate(void *p, size_t /* old_sz */, size_t new_sz)   
{   
    void  *  result  =realloc(p, new_sz);//第一级配置器直接使用 rea  
    // 以下，无法满足需求时，改用 oom_realloc()   
    if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz);   
    return  result;   
}   

//以下模拟 C++的 set_new_handler(). 换句话说，你可以透过它，   
//指定你自己的 out-of-memory handler   
static void (* set_malloc_handler(void (*f)()))()   
{   
    void  (*  old)()  =  __malloc_alloc_oom_handler;   
__malloc_alloc_oom_handler = f;   
    return(old);   
}   
};   

// malloc_alloc out-of-memory handling   
//初值为 0。有待客端设定。   
template <int inst>   
void (* __malloc_alloc_template::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0;   

template <int inst>   
void * __malloc_alloc_template::oom_malloc(size_t n)   
{   
    void  (* my_malloc_handler)();   
    void  *result;   

    for (;;)  {   

//不断尝试释放、配置、再释放、再配置…   
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;   
        if  (0  ==  my_malloc_handler)  {  __THROW_BAD_ALLOC; }   
        (*my_malloc_handler)();//呼叫处理例程，企图释放内存。   
        result = malloc(n);  //再次尝试配置内存。   
        if  (result)  return(result);   
    }   
}   

template <int inst>   
void * __malloc_alloc_template::oom_realloc(void *p, size_t n)   
{   
    void  (* my_malloc_handler)();   
    void  *result;   
       for (;;)  {  //不断尝试释放、配置、再释放、再配置…   
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;   
        if  (0  ==  my_malloc_handler)  {  __THROW_BAD_ALLOC; }   
        (*my_malloc_handler)();//呼叫处理例程，企图释放内存。   
        result = realloc(p, n);//再次尝试配置内存。   
        if  (result)  return(result);   
    }   
}   

//注意，以下直接将参数 inst指定为 0。   
typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;   

以上为STL空间配置器及第一级配置器__malloc_alloc_template详细内容，大部分是《STL源码剖析》这本书上的，自己捋一下，思路更加清晰。