STL源码剖析笔记一空间配置器

今天终于开始了计划很久的看STL源码，过程应该很艰巨，我争取书博客各看一遍，为了防止看了就忘，准备做好笔记，在5天内看完。加油！

一、空间配置器allocator

1.1简介

整个STL的操作对象都存放在容器中，而容器一定需要配置空间置放资料。空间不一定是内存，也可以是磁盘或其他辅助媒介。

C++的内存配置操作和释放操作一般是这样：

class foo{...}

foo* pf=new foo;//配置内存，然后构造函数

delete pf; //将对象析构，然后释放内存

STL allocator将这两部分操作分开了，内存配置由alloc::allocate()负责，内存释放由alloc::deallocate();对象构造由::construct()负责，对象析构由::destruct()负责。

STL allocator配置器定义在包含三个文件:(这里定义了全局函数construct()和destroy()，负责对象的构造和析构)(定义了一、二两级配置器，彼此合作)(里定义了一些全局函数，用来填充(fill)或复制(copy)大块内存数据)

1.2

     在stl_alloc.h中定义了两级配置器。当申请的内存大小大于128byte时，就启动第一级分配器通过malloc直接向系统的堆空间分配，如果申请的内存大小小于128byte时，就启动第二级分配器，从一个预先分配好的内存池中取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8的倍数，8~128byte）的空闲列表组成，allocator会根据申请内存的大小（将这个大小round up成8的倍数）从对应的空闲块列表取表头块给用户。

第一级配置器_malloc_alloc_template,

主要思想是申请大块内存池(超过128bytes),第一级配置器没有用operator::new和operator::delete来申请空间，而是直接调用malloc/free和realloc（C函数执行的操作），并且实现了类似c++中new-handler的机制。所谓c++ new handler机制是，你可以要求系统在内存配置需求无法被满足时，调用一个指定的函数。换句话说，一旦::operator::new无法完成任务，在丢出std::bad_alloc异常状态之前，会先调用由客端指定的处理例程，该处理例程通常称为new-handler.new-handler解决内存做法有特定的模式。SGI第一级配置器的allocate()和realloc都是在调用malloc和realloc不成功后，改调用oom_malloc()和oom_realloc()，后两者都有内循环，不断调用"内存不足处理例程"，期望在某次调用之后，获得足够的内存而圆满完成任务。但如果“内存不足处理例程“并未被客端设定，oom_malloc()和oom_realloc便调用_THROW_BAD_ALLOC, 丢出bad_alloc异常信息，或利用exit(1)硬生生中止程序。

第二级配置器_default_alloc_template

当区块小于128字节时，则以内存池管理，此法又称为次层配置，每次配置一大块内存，并维护对应的自由链表(free-list)。下次若再有相同大小的内存需求，就直接从free-list中拔出。如果客端释还小额区块，就由配置器回收到free-lists中，另外，配置器除了负责配置，也负责回收。为了管理方便，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。并维护16个free-lists，各自管理大小分别为8，16，24，32，40，48，56，64，72，80，88，96，104， 112，120，128 字节的小额区块。当申请小于等于128字节时就会检查对应的free list，如果free-list中有可用的区块，就直接拿来，如果没有，就准备为对应的free-list 重新填充空间。

     新的空间将取自内存池（经由chunk_alloc()获得），缺省取得20个新节点，如果内存池不足（还足以一个以上的节点），有多少就返回多少.如果当内存池中连一个节点大小都不够时，此时就需要malloc()从heap中配置内存，新水量的大小为需求量的两倍。如果malloc()行动失败，就会四处寻找有无"尚有未用区块，且区块足够大 "之free lists.找到了就挖一块交出，找不到就调用第一级配置器。第一级配置器其实也是使用malloc来配置内存。但它有out-of-memory处理机制（类似new-handler机制），或许有机会释放其他的内存拿来此处使用。如果可以就成功，否则发出bad_alloc异常。

 union obj
 {
     union obj * free_list_link;  //指针类型是联合体，所以16个指针共享内存，不会占多余的额外内存
     char client_data[1];
 };
 //分配算法，从网上大神那里找来的，觉着写的很简练

 // 算法：allocate
 // 输入：申请内存的大小size
 // 输出：若分配成功，则返回一个内存的地址，否则返回NULL
 {
     if(size 大于 128)
         启动第一级分配器直接调用malloc分配所需的内存并返回内存地址；
     else
     {
         将size向上round up成8的倍数并根据大小从free_list中取对应的表头free_list_head
         if(free_list_head 不为空)
         {
             从该列表中取下第一个空闲块并调整free_list,返回free_list_head
         }
         else
         {
             调用refill算法建立空闲块列表并返回所需的内存地址
         }
     }
 }


 // 算法：refill
 // 输入：内存块的大小size
 // 输出：建立空闲块链表并返回第一个可用的内存地址
 {
     调用chunk_alloc算法分配若干个大小为size的连续内存区域并返回起始地址chunk和成功分配的块数nobj
     if(块数为1)
         直接返回 chunk;
     else
     {
         开始在chunk地址块中建立free_list
         根据size取free_list中对应的表头元素free_list_head
         将free_list_head 指向chunk中偏移起始地址为size的地址处，即free_list_head = (obj*)(chunk+size)
         再将整个chunk中剩下的nobj-1个内存块串联起来构成一个空闲列表
         返回chunk，即chunk中第一个空闲的内存块
     }
 }


 // 算法：chunk_alloc
 // 输入：内存块的大小size,预分配的内存块数nobj(以引用传递)
 // 输出：一块连续的内存区域的地址和该区域内可以容纳的内存块的块数
 {
     计算总共所需的内存大小total_bytes
     if(内存池足以分配，即end_free-start_free >= total_bytes)
     {
         则更新start_free
         返回旧的start_free
     }
     else if(内存池不够分配nobj个内存块，但至少可以分配一个)
     {
         计算可以分配的内存块数并修改nobj
         更新start_free并返回原来的start_free
     }
     else     // 内存池连一个内存块都分配不了
     {
         先将内存池的内存块链入到对应的free_list中后
         调用malloc操作重新分配内存池，大小为2倍的total_bytes为附加量，start_free指向返回的内存地址
         if(分配不成功)
         {
             if(16个空闲列表中尚有空闲块)
                 尝试将16个空闲列表中空闲块回收到内存池中再调用chunk_alloc(size,nobj)
             else
                 调用第一级分配器尝试out of memory机制是否还有用
         }
         更新end_free为start_free+total_bytes，heap_size为2倍的total_bytes
         调用chunk_alloc(size,nobj)
     }
 }


 // 算法：deallocate
 // 输入：需要释放的内存块地址p和大小size
 {
     if(size 大于128字节)
         直接调用free(p)释放
     else
     {
         将size向上取8的倍数，并据此获取对应的空闲列表表头指针free_list_head
         调整free_list_head将p链入空闲列表块中
     }
 }