【STL源码剖析】第二章 空间配置器（allocator）

第二章 空间配置器（allocator）

具备次配置力（sub-allocation）的SGI空间配置器

SGI标准的空间配置器

SGI定义了一个符合部分标准，名为allocator的配置器，效率不高，只把c++的::operator new和::operator delete做了一层薄薄的包装，SGI没有用过 。

SGI特殊的空间配置器，std::alloc

allocator只是基层内存配置/释放行为（也就是::operator new和::operator delete）的一层薄薄包装，并没有考虑到任何效率上的强化。

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 pf;           //将对象析构，然后释放内存

这里new构造一个对象时，包含两阶段操作：（1）调用::operator new配置内存；（2）调用该对象的构造函数构造对象内容。delete销毁一个对象时，也包含两阶段操作：（1）调用该对象的析构函数将对象析构；（2）调用::operator delete释放内存。

STL allocator将上述两阶段操作区分开来。内存配置由alloc::allocator()负责，内存释放操作由alloc::deallocator()负责；对象构造由::constructor()负责，对象析构由::destroy()负责。

STL标准告诉我们，配置器定义于之中，SGI中包含以下两个文件：

#include //负责内存空间的配置和释放

#include //负责对象内容的构造与析构

析构和构造的基本工具,construct()和destroy()

下面是#include的部分内容：

  #include                 //placement new头文件
  template <class T1, class T2>  
  inline void construct(T1* p, const T2& value) {  
    new (p) T1(value);            //placement new；调用T1::T1(value)
  }  
  ​
  //以下是destroy()第一个版本，接受一个指针  
  template <class T>  
  inline void destroy(T* pointer) {  
      pointer->~T();  
  }  
  ​
  //destory()第二版本，接受两个迭代器。此函数没法找出元素数值型别
  template <class ForwardIterator>  
  inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) {  
    __destroy(first, last, value_type(first));  
  }  
  ​

上述destroy()的第一版本接受一个指针，将该指针所指的对象析构掉。第二版本接受first和last两个迭代器，将这两个迭代器范围内的对象析构掉。在第二版本中运用了traits编程技法，traits会得到当前对象的一些特性，再根据特性的不同分别对不同特性的对象调用相应的方法。在第二版本中，STL会分析迭代器所指对象的has_trivial_destructor特性的类型（只有两种：true_type和false_type），如果是true_type，STL就什么都不做；如果是false_type，就会调用每个对象的析构函数来销毁这组对象。

空间配置与释放，std::alloc

C++内存配置基本操作是::operator new()，内存释放基本操作是::operator delete()。这两个全局函数相当于C的malloc()和free()函数。正是如此，SGI以malloc和free完成内存的分配和释放。

考虑到小型区块可能造成的内存破碎问题，SGI设计了双层配置器，第一级配置器直接使用malloc()和free()，第二级配置器采取以下策略：当配置区块超过128bytes时，调用第一级配置器；当配置区块小于128bytes时，采用内存池方式。

第一级配置器

第一级空间配置器使用malloc()、free()、realloc()等c函数执行实际内存配置、释放、重配等操作，当分配的空间大小超过128 bytes的时候使用第一级空间配置器；

  static void * allocate(size_t n)  
  {  
      void *result = malloc(n);   //直接使用malloc()  
      if (0 == result) result = oom_malloc(n);  
      return result;  
  }  
    
  static void deallocate(void *p, size_t /* n */)  
  {  
      free(p);    //直接使用free()  
  }  
    
  static void * reallocate(void *p, size_t /* old_sz */, size_t new_sz)  
  {  
      void * result = realloc(p, new_sz);     //直接使用realloc()  
      if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz);  
      return result;  
  }  

当alloc()和realloc()申请不到内存时，会调用oom_malloc()和oom_realloc()，这两个函数不断调用“内存不足处理函数”，直到获得足够内存为止。如果用户没有传递“内存不足处理函数”，会抛出__THROW_BAD_ALLOC异常。

第二级配置器

第二级空间配置器多了一些机制，避免太多小额区块造成内存的碎片。小额区块带来的不仅是内存碎片，配置时的额外负担也是一个问题。SGI第二级配置器的做法是，如果区块够大，超过128bytes时，就移交第一级配置器。当区块小于128bytes时，则以内存池（memory pool）管理，此法又称为层次配置（sub-allocation）:每次配置一大块内存，并维护对应自由链表（free-list）。下次如若再有相同大小的内存需求，就直接从free-lists中拨出。如果客户端释还了小额区块，就由配置器回收到free-lists中，配置器除了负责配置也方便回收。

SGI STL的第二级内存配置器主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数（例如客户端需求30bytes。就自动调整为32bytes），并维护了一个free-list数组，分别用于管理8, 16, 24, 32,40，56，64，72，80，88，96，104，112，120，128 bytes的小额区块，free-list的节点结构如下：

  
  union obj
  {
      union obj* free_list_link;
      char client_data[1];
  };

​ 这里使用union结构，是为了节省空间，也就是说，当节点位于free-list时，通过free_list_link指向下一块内存，而当节点取出来分配给用户使用的时候，整个节点的内存空间对于用户而言都是可用的，这样在用户看来，就完全意识不到free_list_link的存在，可以使用整块的内存了。

​ 在分配内存时，会将大小向上调整为8的倍数，因为free-list中的节点大小全是8的倍数。

空间配置函数allocate()

1. 如果申请内存大于128 bytes，就调用第一级配置器，否则说明申请内存小于128 bytes，转到2

2. 根据申请内存的大小n在16个free lists中找出其对应的my_free_list

3. 如果对应的my_free_list中没有空闲区块，分配器首先将申请内存的大小上调至8的倍数n，调用refill()，准备重新填充my_free_list

4. 否则说明有可用的空闲区块，更新my_free_list并将第一块空闲区块返回

空间释放函数deallocate()

该函数首先判断区块大小，大于128bytes就调用第一级配置器，小于128bytes就找出对应的free list，将区块回收。

重新填充free lists

先前讨论allocate()。当发现free list中没有可用区块了时，就调用refill()，准备为free list重新填充空间。新的空间取自内存池（经由chunk_allock()完成）。缺省取得20个新节点（新区块），但万一内存池空间不足，获得的节点数（区块数）可能小于20。

内存池

从内存池中取空间给free list使用，是chunk_alloc()函数工作：

1. 如果内存池剩余空间大于或等于20*n的内存空间，则从这个空间中取出n*20大小的内存空间，更新start_free并返回申请到的内存空间的起始地址，否则转到2)

2. 如果内存池剩余空间足够分配一个及以上的区块，则分配整数倍于n的内存空间，更新start_free，由nobjs返回实际分配到的区块个数，并返回申请到的内存空间的起始地址，否则转到3)

3. 内存池中无法提供一个大小为n的区块，此时如果内存池中还有一些残余内存（这些内存大小小于n），则将这些内存插入到其对应大小的空闲分区链中

4. 调用malloc向运行时库申请大小为（2*20*n + 附加量）的内存空间， 如果申请成功，更新start_free，end_free和heap_size，并递归调用chunk_alloc()，修正nobjs，否则转到5)

5. 4)中调用malloc失败，这时分配器依次遍历区块足够大的freelists，只要有一个未用区块，就释放该区块，递归调用chunk_alloc()，修正nobjs

6. 如果出现意外，到处都没有内存可用了，则调用第一级配置器，看out-of-memory机制能否尽点力

内存处理基本工具

STL定义了五个全局函数，作用于未初始化空间上。这样的功能对于容器的实现很由帮助。前两个函数是用于构造的construct()和用于析构的destroy()。另外三个函数uninitialized_copy(),uninitialized_fill()和uninitialized_fill_n()函数，分别对应copy()，fill()和fill_n()函数——这些都是STL算法。