STL源码阅读总结从小白到大神：配置器

一、空间配置器的接口

为什么说allocator是空间配置器而不是内存配置器呢？ 因为空间不一定是内存，空间也可以是磁盘或其他辅助存储介质（可以写一个allocator直接向硬盘取空间）。

二、具备次配置里的SGI空间配置器

SGI STL 配置器与其他配置器不同

• 于标准规范也不同。

• 其名称是alloc而非allocator。

• 不接受任何参数。

写法： vector iv;

ps：虽然SGI STL allocator 未能符合标准规则，但不会给我们带来困扰，因为通常我们使用缺省的空间配置器，很少要指定配置器名称。

2.1 SGI标准的空间配置器： std::allocator

不建议使用，因为效率不佳，只把C++的::operator new 和 ::operator delete 做了一层薄薄的包装而已。

2.2 SGI特殊的空间配置器 std::alloc

new 一个对象时：先用::operator new 配置内存在，调用构造函数构造对象。

delete 对象时: 先将对象析构，在调用::operator delete 释放内存；

为了精密分工，STL allocator将这两个阶段的操作分开。

1）内存配置 alloc::allocate()

2）内存释放 alloc::deallocate()

3）对象构造 ::construct()

4）对象析构 ::destroy()

STL 标准规则规定配置器定义于中，SGI内包含以下两个文件：

#include //负责内存空间的配置与释放

#include //负责对象内容的构造与析构

2.3 构造和析构的基本工具： construct()和destroy()

• construct()版本一

  通过placement new运算子。

  

• destroy（）版本一（通过指针析构对象)
  
  destroy（）版本二（通过迭代器依次释放内存）

1)迭代器遍历释放内存

2）判断元素类别析构函数是否“无关痛痒”（目的提高效率）

3）析构函数（正常释放） 4）析构函数”无关痛痒“（不做任何处理）

• destroy（）版本二针对迭代器
  

流程图

2.4 空间的配置和释放 std::alloc

考虑到小型区块所可能造成的内存破碎问题，SGI设计了双层级配置器

2.4.1

C++ new-hander机制：要求系统在内存配置需求无法满足时，调用一个自己所指定的函数。（即在::operator new 无法创建空间时，在丢出std::bad_alloc异常状态前，会先调用由客端指定的处理历程。）总的来说new-header解决内存不足的做法有特定的模式。( SGI以malloc而非::operator new 来配置内存，所以必须仿真一个set_malloc_header(); )

注：alloc并不接受任何template型别参数

2.4.2

• 第一级配置器（ _ malloc_alloc_template 配置区块超过128比特）:

1. 源码：

malloc_based allocator比default_alloc速度慢

oom_malloc()和oom_realloc()都有内循环，不断调用“内存不足处理历程”，但是如果“内存不足处理历程”并未被客端设定，这两个函数就会调用_THROW_BAD_ALLOC丢出bad_alloc异常信息，或利用exit(1)终止程序。

设计“内存不足处理历程”是客端的责任。

• 第二级配置器（ _ default_alloc_template）：

  第二配置器多了一些机制，避免了太多小额区快造成内存碎片，从而造成配置时的额外负担。

  1. 第二级配置器做法（次层配置）：

  1）如果区块够大（超过128bytes）就移交给第一级配置器处理。

  2）如果区块小于128bytes，则使用内存池管理。

  3）每次配置一大块内存，并维护对应之自由链表（free-list），下次若再有相同大小的内存需求，就直接从自由链表中拨出。如果客户端释放归还小额区块，为了方便管理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（按字节回收），并维护16个自由链表，各自管理大小分别是8，16，24…120，128bytes。（配置器除了负责配置，也负责回收）

  2. free-list结构 （union解决了为了额外维护链表造成的负担，又实现了链表的作用）
  

  3. 源码
  

• 第一级配置器和第二级配置器的关系：

• 第一级适配器和第二级适配器包装接口和运用方式：
  simple_alloc -->data_alloctor

• 无论alloc被定义为第一级还是第二级配置器，SGI都会为它包装一个接口使其符合STL规格（SGI STL容器全部使用这个simple_alloc接口）：
  

2.5 空间配置函数allocate()

区块自free-list调出操作

2.6空间释放函数 deallocate()

free-list回收过程

2.7 重新填充free_list

当allocate()创建空间发现free_list中没有空间时。就会调用refil()从内存池中取得20个新区块/节点（通过chunk_alloc()完成）,当内存池空间不够时可能小于20个。

2.8 内存池 （memory pool）

通过调用chunk_alloc()为free_list增加新区块\节点。

1.为什么要有内存池

内存池的目的是提供高效的内存分配和释放。

• **提高性能：内存池可以提高程序的性能。**在频繁申请和释放内存的场景中，使用内存池可以减少内存分配和释放的开销。相比于每次都调用标准的内存分配函数（如malloc或new），内存池预先分配一块连续的内存空间，并将其划分为固定大小的块。程序可以直接从内存池中获取这些预分配的块，避免了频繁的系统调用，从而提高了程序的性能。
• **减少内存碎片：内存池可以减少内存碎片的产生。**在使用标准的内存分配函数时，频繁地申请和释放各种大小的内存块可能会导致内存碎片问题。而内存池将内存块固定为相同的大小，避免了不同大小的内存块交替存在导致的内存碎片问题。
• **简化内存管理：内存池可以简化内存管理。**内存池负责预分配和管理内存，程序只需要从内存池中获取或归还内存块即可。这样可以减少程序员在内存管理方面的工作量，降低出错的可能性。
• **控制内存分配：内存池可以提供一定程度的内存分配控制。**通过设置内存池的大小和分配策略，可以限制程序使用的总内存量，避免过多的内存占用。

2.过程

1）通过end_free - start_free 来判断内存池水量，如果水量充足直接调出20个区块返回给free_list。

2）如果内存池足够供应一个以上的区块，却不够20个那么就将这些区块全部拨出去，其pass by reference的nobjs参数将修改为实际拨出的区块数

3）如果一个区块也无法供应，需要利用malloc（）从堆（heap）配置内存，新注入的水量大小为需求量的两倍，在加上一个随配置次数增加而愈来愈大的附加量。

比如：配置了40个32bytes的区块，其中第一个拨出给正好需要的，19个交给free_list[3]维护，余的20个留给内存池。当客端调用64bytes区块时，如果free_list[7]为空，内存池有20个32bytes的区块/10也就是10个64bytes的区块，其中一个交给客端，剩下9个留给free_list[7]维护，这时内存池又空了…以此这样循环。这样可以减少频繁扩大内存池的次数，提高内存分配的效率。

⭐️⭐️⭐️注：为什么扩大是两倍量呢？⭐️⭐️⭐️

因为两倍量在一定程度上平衡内存使用效率和内存碎片问题

• 内存分配效率：内存池的目标是提供高效的内存分配和释放。通过以两倍数量增长，可以确保每次扩大内存池时，分配给程序的内存总量至少是当前使用量的两倍。这样可以减少频繁扩大内存池的次数，提高内存分配的效率。
• 内存碎片：内存碎片指的是未被使用的小块零散内存空间。如果每次扩大内存池时增加的量太小，可能会导致更多的内存碎片。而选择两倍量的增长，有助于减少内存碎片的产生，提高内存利用率。
• 内存对齐：在内存分配过程中，一些系统和硬件要求内存的地址对齐。通过选择两倍量进行内存池扩大，可以更好地满足内存对齐的需求，提高内存访问效率。

其实对于内存池扩大倍量没有固定值，根据实际情况可能选择其他倍量更好，只不过通常情况下二倍量是一个较为平衡和经验丰富的选择。

2.源码