C++中allocator类使用示例

目录

• 动态内存管理
• StrVec类实现细节
• 总结

动态内存管理

之前我们讲述过动态内存的开辟，可以通过new, malloc，以及alloc等方式，本文通过介绍alloc方式，构造一个StrVec类，这个类的功能类似于一个vector，实现字符串的管理，其中包含push一个字符串，动态扩容，析构，回收内存等操作。

StrVec类实现细节

StrVec类实现如下

class StrVec
{
public:
    //无参构造函数
    StrVec() : elements(nullptr), first_free(nullptr),
               cap(nullptr) {}
    //拷贝构造函数
    StrVec(const StrVec &);
    //拷贝赋值运算符
    StrVec &operator=(const StrVec &);
    //析构函数
    ~StrVec();
    //拷贝元素
    void push_back(const std::string &);
    //返回元素个数
    size_t size() const { return first_free - elements; }
    //返回总容量
    size_t capacity() const { return cap - elements; }
    //返回首元素地址
    std::string *begin() const
    {
        return elements;
    }
    //返回第一个空闲元素地址
    //也是最后一个有效元素的下一个位置
    std::string *end() const
    {
        return first_free;
    }

private:
    //判断容量不足开辟新空间
    void chk_n_alloc()
    {
        if (size() == capacity())
            reallocate();
    }
    //重新开辟空间
    void reallocate();
    // copy指定范围的元素到新的内存中
    std::pair alloc_n_copy(
        const std::string *, const std::string *);
    //释放空间
    void free();
    //数组首元素的指针
    std::string *elements;
    //指向数组第一个空闲元素的指针
    std::string *first_free;
    //指向数组尾后位置的指针
    std::string *cap;
    //构造string类型allocator静态成员
    static std::allocator alloc;
};

1 elements成员，该成员指向StrVec内部数组空间的第一个元素
2 first_free成员指向第一个空闲元素，也就是有效元素的下一个元素，该元素开辟空间但未构造。
3 cap 指向最后一个元素的下一个位置。
4 alloc为静态成员，主要负责string类型数组的开辟工作。
5 无参构造函数将三个指针初始化为空，并且默认够早了alloc。
6 alloc_n_copy私有函数的功能是将一段区域的数据copy到新的空间，
并且返回新开辟的空间地址以及第一个空闲元素的地址(第一个未构造元素的地址)。
7 chk_n_alloc私有函数检测数组大小是否达到容量，如果达到则调用reallocate重新开辟空间。
8 reallocate重新开辟空间
9 capacity返回总容量
10 size返回元素个数
11 push_back 将元素放入开辟的类似于数组的连续空间中。
12 begin返回首元素地址
13 end返回第一个空闲元素地址,也是最后一个有效元素的下一个位置
无论我们实现push操作还是拷贝构造操作，都要实现realloc，当空间不足时要开辟空间将旧数据移动到新的数据

//重新开辟空间
void StrVec::reallocate()
{
    string *newdata = nullptr;
    //数组为空的情况
    if (elements == nullptr || cap == nullptr || first_free == nullptr)
    {
        newdata = alloc.allocate(1);
        // elements和first_free都指向首元素
        elements = newdata;
        first_free = newdata;
        // cap指向数组尾元素的下一个位置。
        cap = newdata + 1;
        return;
    }
    //不为空则扩充两倍空间
    newdata = alloc.allocate(size() * 2);
    //新内存空闲位置
    auto dest = newdata;
    //旧内存有效位置
    auto src = elements;
    //通过移动操作将旧数据放到新内存中
    for (size_t i = 0; i != size(); ++i)
    {
        alloc.construct(dest++, std::move(*src++));
    }
    //移动后旧内存数据无效，一定要删除
    free();
    //更新数据位置
    elements = newdata;
    //更新第一个空闲位置
    first_free = dest;
    //更新容量
    cap = elements + size() * 2;
}

reallocate函数内部判断是否为刚初始化指针却没开辟空间的空数组，如果是则开辟1个大小的空间。
否则则开辟原有空间的两倍，将旧数据移动到新空间，采用了std::move操作，这么做减少拷贝造成的性能开销。
move之后原数据就无效了，所以要调用私有函数free()进行释放。我们实现该free操作

//释放操作
void StrVec::free()
{
    //判断elements是否为空
    if (elements == nullptr)
    {
        return;
    }

    auto dest = elements;
    //要先遍历析构每一个对象
    for (size_t i = 0; i < size(); i++)
    {
        // destroy会调用每一个元素的析构函数
        alloc.destroy(dest++);
    }
    //再整体回收内存
    alloc.deallocate(elements, cap - elements);
}

先通过遍历destroy销毁内存，从而调用string的析构函数，最后在deallocate回收内存。

// copy指定范围的元素到新的内存中,返回新元素的地址和第一个空闲元素地址的pair
std::pair StrVec::alloc_n_copy(
    const std::string *b, const std::string *e)
{
    auto newdata = alloc.allocate(e - b);
    //将原数据用来初始化新空间
    auto first_free = uninitialized_copy(b, e, newdata);
    return {newdata, first_free};
}

这样利用alloc_n_copy，我们就可以实现拷贝构造和拷贝赋值了

//拷贝构造函数
StrVec::StrVec(const StrVec &strtmp)
{
    //将形参数据拷贝给自己
    auto rsp = alloc_n_copy(strtmp.begin(), strtmp.end());
    //更新elements, cap，first_free
    elements = rsp.first;
    first_free = rsp.second;
    cap = rsp.second;
}

但是拷贝赋值要注意一点，就是自赋值的情况，所以我们提前判断是否为自赋值，如不是则进行和拷贝构造相同的操作

//拷贝赋值运算符
StrVec &StrVec::operator=(const StrVec &strtmp)
{
    //防止自赋值
    if (this == &strtmp)
    {
        return *this;
    }
    //将形参数据拷贝给自己
    auto rsp = alloc_n_copy(strtmp.begin(), strtmp.end());
    //更新elements, cap，first_free
    elements = rsp.first;
    first_free = rsp.second;
    cap = rsp.second;
}

我们可以利用free实现析构函数

//析构
StrVec::~StrVec()
{
    free();
}

接下来我们实现push_back，将指定字符串添加到数组空间,以及抛出元素

//添加元素
void StrVec::push_back(const std::string &s)
{
    chk_n_alloc();
    alloc.construct(first_free++, s);
}

//抛出元素
void StrVec::pop_back(std::string &s)
{
    if (first_free == nullptr)
    {
        return;
    }

    if (size() == 1)
    {
        
        s = *elements;
        alloc.destroy(elements);
        first_free = nullptr;
        elements = nullptr;
        return;
    }

    s = *(--first_free);
    alloc.destroy(first_free);
}

接下来实现测试函数，测试上述操作

void test_strvec()
{
    auto str1 = StrVec();
    str1.push_back("hello zack");
    StrVec str2(str1);
    str2.push_back("hello rolin");
    StrVec str3 = str1;
    string strtmp;
    str3.pop_back(strtmp);
}

在主函数调用上面test_strvec，运行稳定。

总结

本文通过allocator实现了一个类似于vector的类，管理string变量。演示了拷贝构造，拷贝赋值要注意的事项，同时演示了如何手动开辟内存并管理内存空间。

到此这篇关于C++中allocator类使用示例的文章就介绍到这了,更多相关C++ allocator类内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！