浅析STL allocator

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一般而言，我们习惯的 C++ 内存配置操作和释放操作是这样的：

1 class FOO{};
2 FOO *pf = new FOO;    
3 delete pf;

我们看其中第二行和第三行，虽然都是只有一句，当是都完成了两个动作。但你 new 一个对象的时候两个动作是：先调用::operator new 分配一个对象大小的内存，然后在这个内存上调用FOO::FOO()构造对象。同样，当你 delete 一个对象的时候两个动作是：先调用FOO::~FOO() 析构掉对象，再调用::operator delete将对象所处的内存释放。为了精密分工，STL 将allocator决定将这两个阶段分开。分别用 4 个函数来实现：

1.内存的配置：alloc::allocate();

2.对象的构造：::construct();

3.对象的析构：::destroy();

4.内存的释放：alloc::deallocate();

其中的 construct() 和 destroy()定义在 STL的库文件中，源代码如下：

template 
inline void destroy(T* pointer) {
    pointer->~T();                               //只是做了一层包装，将指针所指的对象析构---通过直接调用类的析构函数
}

template 
inline void construct(T1* p, const T2& value) {
  new (p) T1(value);                            //用placement new在 p 所指的对象上创建一个对象，value是初始化对象的值。
}

template                 //destory的泛化版，接受两个迭代器为参数
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) {
  __destroy(first, last, value_type(first));    //调用内置的 __destory(),value_type()萃取迭代器所指元素的型别
}

template 
inline void __destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) {
  typedef typename __type_traits::has_trivial_destructor trivial_destructor;
  __destroy_aux(first, last, trivial_destructor());        //trival_destructor()相当于用来判断迭代器所指型别是否有 trival destructor
}


template 
inline void                                                //如果无 trival destructor ，那就要调用destroy()函数对两个迭代器之间的对象元素进行一个个析构
__destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __false_type) {
  for ( ; first < last; ++first)
    destroy(&*first);
}

template                         //如果有 trival destructor ，则什么也不用做。这更省时间
inline void __destroy_aux(ForwardIterator, ForwardIterator, __true_type) {}

inline void destroy(char*, char*) {}          //针对 char * 的特化版
inline void destroy(wchar_t*, wchar_t*) {}    //针对 wchar_t*的特化版

看到上面这么多代码，大家肯定觉得 construct() 和 destroy() 函数很复杂。其实不然，我们看到construct()函数只有几行代码。而 destroy() 稍微多点。但是这么做都是为了提高销毁对象时的效率。为什么要判断迭代器所指型别是否有 trival destructor，然后分别调用不同的执行函数？因为当你要销毁的对象很多的时候，而这样对象的型别的destructor 都是 trival 的。如果都是用destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, false_type)来进行销毁的话很费时间，因为没必要那样做。而当你对象的destructor 都是 non-trival 的时候，你又必须要用destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, false_type)来析构。所以，我们要判断出对象型别的destructor 是否为 trival，然后调用不同的__destroy_aux。

说完 construct() 和 destory() ，我们来说说 alloc::allocate() 和 alloc::deallocate()，其源代码在 中。stl_alloc.h中代码设计的原则如下：

1.向 system heap 要求空间

2.考虑多线程状态

3.考虑内存不足时的应变措施

4.考虑过多“小型区块”可能造成的内存碎片问题。

stl_alloc.h中的代码相当复杂，不过没关系。我们今天只看其中的allocate() 和 deallocate()。在讲这两个函数之前，我们还必须来了解一下SGI STL(SGI限定词是STL的一个版本，因为真正的STL有很多不同公司实现的版本，我们所讨论的都是SGI版本) 配置器的工作原理：

考虑到小型区块可能造成内存破碎问题(即形成内存碎片)，SGI STL 设计了双层级配置器。第一层配置器直接使用malloc() 和 free().第二层配置器则视情况采用不同的策略：但配置区块超过 128 bytes时，调用第一级配置器。当配置区块小于 128 bytes时，采用复杂的 memory pool 方式。下面我们分别简单的介绍一下第一级和第二级配置器：

第一级配置器 _ _malloc_alloc_template：

由于第一级配置器的配置方法比较简单，代码也容易理解，我在这里全部贴出：

//以下是第第一级配置器
template 
class __malloc_alloc_template {

private:

//以下函数用来处理内存不足的情况
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()
    //如果内存不足，则调用内存不足处理函数oom_alloc()来申请内存
    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realloc()
    //当内存不足时，则调用内存不足处理函数oom_realloc()来申请内存
    if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz);
    return result;
}

//设置自定义的out-of-memory handle就像set_new_handle()函数
static void (* set_malloc_handler(void (*f)()))()
{
    void (* old)() = __malloc_alloc_oom_handler;
    __malloc_alloc_oom_handler = f;
    return(old);
}
};

template 　　　　
void (* __malloc_alloc_template::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0;　　//内存处理函数指针为空，等待客户端赋值

template 
void * __malloc_alloc_template::oom_malloc(size_t n)
{
    void (* my_malloc_handler)();
    void *result;

    for (;;) {                                                     //死循环
        my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;            //设定自己的oom(out of memory)处理函数
        if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; }         //如果没有设定自己的oom处理函数，毫不客气的抛出异常
        (*my_malloc_handler)();                                    //设定了就调用oom处理函数
        result = malloc(n);                                        //再次尝试申请
        if (result) return(result);
    }
}

template 
void * __malloc_alloc_template::oom_realloc(void *p, size_t n)
{
    void (* my_malloc_handler)();
    void *result;

    for (;;) {
        my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;
        if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; }    //如果自己没有定义oom处理函数，则编译器毫不客气的抛出异常
        (*my_malloc_handler)();                                //执行自定义的oom处理函数
        result = realloc(p, n);                                //重新分配空间
        if (result) return(result);                            //如果分配到了，返回指向内存的指针
    }
}

上面代码看似繁杂，其实流程是这样的：

1.我们通过allocate()申请内存，通过deallocate()来释放内存，通过reallocate()重新分配内存。

2.当allocate()或reallocate()分配内存不足时会调用oom_malloc()或oom_remalloc()来处理。

3.当oom_malloc() 或 oom_remalloc()还是没能分配到申请的内存时，会转如下两步中的一步：

a).调用用户自定义的内存分配不足处理函数(这个函数通过set_malloc_handler() 来设定)，然后继续申请内存！

b).如果用户未定义内存分配不足处理函数，程序就会抛出bad_alloc异常或利用exit(1)终止程序。

看完这个流程，再看看上面的代码就会容易理解多了！

第二级配置器 _ _default_alloc_template：

第二级配置器的代码很多，这里我们只贴出其中的 allocate() 和 dellocate()函数的实现和工作流程(参考侯捷先生的《STL源码剖析》)，而在看函数实现代码之前，我大致的描述一下第二层配置器配置内存的机制。

我们之前说过，当申请的内存大于 128 bytes时就调用第一层配置器。当申请的内存小于 128bytes时才会调用第二层配置器。第二层配置器如何维护128bytes一下内存的配置呢？ SGI 第二层配置器定义了一个 free-lists,这个free-list是一个数组，如下图：

　　这数组的元素都是指针，用来指向16个链表的表头。这16个链表上面挂的都是可以用的内存块。只是不同链表中元素的内存块大小不一样，16个链表上分别挂着大小为

8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128 bytes的小额区块，图如下：
　　

就是这样，现在我们来看allocate()代码：

 static void * allocate(size_t n)
  {
    obj * __VOLATILE * my_free_list;
    obj * __RESTRICT result;
    
    //要申请的空间大于128bytes就调用第一级配置
    if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {
        return(malloc_alloc::allocate(n));
    }
    //寻找 16 个free lists中恰当的一个
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = *my_free_list;
    if (result == 0) {
        //没找到可用的free list，准备新填充free list
        void *r = refill(ROUND_UP(n));
        return r;
    }
    *my_free_list = result -> free_list_link;
    return (result);
  };

其中有两个函数我来提一下，一个是ROUND_UP()，这个是将要申请的内存字节数上调为8的倍数。因为我们free-lists中挂的内存块大小都是8的倍数嘛，这样才知道应该去找哪一个链表。另一个就是refill()。这个是在没找到可用的free list的时候调用，准备填充free lists.意思是：参考上图，假设我现在要申请大小为 56bytes 的内存空间，那么就会到free lists 的第 7 个元素所指的链表上去找。如果此时 #7元素所指的链表为空怎么办？这个时候就要调用refill()函数向内存池申请N(一般为20个)个大小为56bytes的内存区块，然后挂到 #7 所指的链表上。这样，申请者就可以得到内存块了。当然，这里为了避免复杂，误导读者我就不讨论refill()函数了。allocate()过程图如下：
　　

学过链表的操作的人不难理解上图，我就不再讲解。下面看deallocate()，代码如下：

 1 static void deallocate(void *p, size_t n)
 2 {
 3     obj *q = (obj *)p;
 4     obj * __VOLATILE * my_free_list;
 5 
 6     //如果要释放的字节数大于128，则调第一级配置器
 7     if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {
 8         malloc_alloc::deallocate(p, n);
 9         return;
10     }
11     //寻找对应的位置
12     my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
13     //以下两步将待释放的块加到链表上
14     q -> free_list_link = *my_free_list;    
15     *my_free_list = q;
16 }

deallocate()函数释放内存的步骤如下图：

其实这就是一个链表的插入操作，也很简单。不再赘述！上面忘了给链表结点的结构体定义了，如下：

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

至此，SGI STL的对象的构造与析构、内存的分配与释放就介绍完毕了。