C++学习记录——삼십삽 STL空间配置器

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1、概念

我们先看malloc，malloc是创建在堆上的，虽然malloc可以申请内存，但也有限制，windows下用VirtualAlloc可以直接向堆申请内存，Linux中则是brk，不过这两个效率一般。

malloc向堆申请函数，它本身是个内存池，只是这个内存池面向整个程序。空间配置器运行在malloc之上，是一个小的内存池，面向STL的容器。STL的容器可以使用空间配置来开辟空间，但空间配置器是20多年前的代码了，到现在也没有更新多少，核心功能，一点细节变一变就是了。空间配置器不能用于别的结构，只能用于STL容器。

为什么STL容器需要空间配置器？因为它需要频繁地申请和释放内存，如果只用malloc，效率不是很高，malloc是服务于所有程序的，并不是专用于STL容器的。频繁使用malloc，容易造成系统碎片，虽然空间配置器也没很好地解决这个问题；使用malloc时，会有额外空间来记录当前空间大小。

主要问题是效率问题

2、使用

如果用户所需字节数大于128，就使用一级空间配置器，如果不是，就使用二级配置器。

在STL的源码中，一级配置器是__malloc_alloc_template，二级配置器是__default_alloc_template。

一级空间配置器中

allocate就是malloc的工作，deallocate就是free的工作，不过如果malloc失败，就会调用oom_malloc的函数，reallocate也是一样。这几个函数时public的，这些代码上面，是oom_malloc的声明，以及一个宏。

在代码下方

oom_malloc先去调用了一个函数指针__malloc_alloc_oom_handler，如果失败，就抛异常，是一个宏__THROW_BAD_ALLOC，如果成功，那就再去调用这个函数，也就是(*my_malloc_handler)，最后返回结果，调用的这个函数里应当是做了释放空间操作，不过这个调用的函数默认为空。

所以这个一级空间配置器是malloc和free的封装，如果失败就抛异常，整体上和operator new的实现相似。

二级空间配置器

C++中提倡用枚举，const，内联替代宏，如果大于128，就去调用一级空间适配器了。如果不是，那就是二级，二级里主要内容是一个内存池和哈希桶，对应下图的start_free，end_free，heap_size，和free_list两个。

哈希桶是一个指针数组，__VOLATILE就是volatile。实际上，空间配置器所操作的内存都源于malloc，前面也看到，malloc失败就去找空间配置器，大于128就走一级，小于则来到二级。二级空间配置器里，有两个指针start和end指向一块空间的头尾，这块空间是提前准备好的，如果请求十字节内容，start就往后走，让出十字节空间，然后给到外面，走完了就重开一块空间。那么程序归还空间的时候，这些借出去的空间应当如何管理？每一块空间基本都是不一样的大小，我们可以把它们用链表连接起来，当再使用这些空间的时候，要如何找到合适大小的空间？所以如果这样管理就有些麻烦。源码中对归还的空间是利用哈希桶来管理的。

这里的办法和磁盘往外IO时的策略相似，向上对齐到8字节。如果申请了9到16个字节，那就去找1号桶。最开始的时候，所有的桶都没有字节数，start和end是空，如果申请了10字节，走二级空间配置器，然后找到了1号桶，如果发现1号桶是空0，就会去找内存池要，也就是start和end之间的内存池，进行malloc，malloc不会只获取16字节，会多给一点。申请10字节，因为在1号桶，所以申请了16字节，并且继续申请了字节，具体是多少个看代码实现。现在申请的是10字节，代码可能申请了30字节，把10字节返回后，就把剩余的空间挂在1号桶这里，并且有指针指向这个桶，那么下次再找1号桶时1号桶就有空间了，头删链表来把空间送出去。

释放内存时，需要传空间大小，大于128就走一级空间配置器，小于就走二级空间配置器，把这块空间给头插进对应的链表，这里找桶的位置就是通过空间大小来找的，使用前和使用后空间大小不变，所以就能找到正确的桶。等再次申请时，还是找这些已经开好的空间，去对应的桶拿空间就好，如果一个桶空间没有了，那就去找内存池分配一些空间。

每个桶都是8字节，128字节的话总共需要14个8字节，也就是数组是14个元素。每个桶是如何存空间的？源码中使用了联合体，联合体有一个指针，占4个字节，每个空间都会被强转成这个联合体类型，每次都只用去看前4个字节就可以，64位下指针大小是8字节，所以每个桶都是8字节。被连接起来的空间，前一个空间的4个字节存储下一个空间的前4个字节，用的时候就拿出去第一个空间，然后对应桶指向第二个空间，归还时又重新回到之前的连接。哈希桶结构可以很好地找到对应的空间。

假设代表48字节的桶没有空间，内存池也没有空间，malloc也失败了，那么这条路线上全部失败，应该抛异常了，但空间配置器没有这么做，而是去找后面几个位置是否有空间，有的话就切割出大于48字节的一部分空间，给48号桶。

每一个桶连接的空间，不同程序都可以使用同样的空间，因为既然是一个桶，那么使用的字节都够用。从桶中拿空间这个操作是在加锁后进行的，这个加锁通过类来实现，完成这些加锁操作，桶指向下一个空间后，就出了作用域，就析构了。这就是一个RAII。

一个进程只有一个空间配置器，所以空间配置器其实可以设计单例模式的，源码中虽然没有设计成单例模式，但基本上所有成员函数都是静态的，是间接的单例。

空间配置器能一定程度上解决内存碎片问题。内存在频繁申请释放后，一些小块内存夹杂在很多内存之间，导致越来越难以申请连续的大块内存。空间配置器是申请一大块内存后，自己拿来反复拿取，通过上面的操作，能解决一点内存碎片问题。这些是外碎片问题，还有内碎片问题。比如申请12个字节，按照空间配置器，我就得找1号桶，申请16字节，所以也是申请了多余的内存，这就是内碎片问题。

3、容器上的体现

比如列表，除了传T模板参数，还会传一个alloc模板参数

默认传一个二级配置器，一级嵌套在二级里面，如果大于128，就走一级。

这个图的前两行就是专门针对list_node——allocator的配置器，get_node函数里针对link_type类型对象的其中一个data值进行了单独调用了一个函数，而析构也是调用了一个单独的destroy的函数

而上面的几个图中有个simple_alloc函数，也有专门的类

所以链表申请节点就是调用的create_node函数，里面再调用get_node函数，simple_alloc就是对二级空间配置器的封装，里面有二级的申请和释放。如果没有内存，那就申请一个节点大小的内存，按照类型去new一个空间。

看上面的源码就能逐渐明白原理。

结束。