stl中的空间配置器

　一般我们习惯的c++内存配置如下

class Foo { ... };
Foo* pf = new Foo; 
delete pf; 

 这里的new实际上分为两部分执行。首先是先用::operator new配置内存，然后执行Foo::Foo()构造对象内容。delete也一样，先运行Foo::~Foo()析构对象，再用::operator delete释放内存。在SGI STL中，这两部分分别在<stl_alloc.h>和<stl_construct.h>中。本文讲的便是<stl_alloc.h>中的故事。
  SGI STL中将配置器分为两级。第一级直接用malloc和free管理内存，第二级则使用内存池以避免内存碎片。这两级都由simple_alloc包装起来以符合stl标准。如图

第一级由于没有用operator new，所以要自己实现new-handler机制。我仿写的代码如下

 1 #ifndef _MALLOC_ALLOC_H_ 
 2 #define _MALLOC_ALLOC_H_ 
 3 
 4 //定义内存不足又没有定义相关处理函数时抛出的异常
 5 #ifndef THROW_OOM
 6 #    include <stdio.h>
 7 #    include <stdlib.h>
 8 #    define THROW_OOM fprintf(stderr, "out of memory\n"); exit(1)
 9 #endif
10 
11 #include<stdlib.h>
12 
13 namespace Chenstl{
14 
15 //第一级空间配置器，直接用mallloc分配内存
16 //当需要分配的空间大于MAX_BYTES时使用
17     class malloc_alloc{
18     private:
19         static void *oom_malloc(size_t);    //声明时可以只写类型啊。。现在才知道
20         static void *oom_realloc(void *,size_t);
21         static void (* malloc_oom_handler)();    //处理malloc时内存不足时的函数指针
22     public:
23         static void *allocate(size_t n);
24         static void decllocate(void *p);
25 
26         static void *realloc(void *p, size_t new_sz);
27         //当内存不足时，需要客户端设置handler
28         static void set_malloc_oom_handler(void(*f)());
29     };    
30 }
31 
32 #endif

 

 1 #include "malloc_alloc.h"
 2 
 3 using namespace Chenstl;
 4 void *malloc_alloc::allocate(size_t n)
 5 {
 6     void *result = malloc(n);
 7     if (0 == result) result = oom_malloc(n);
 8     return result;
 9 }
10 
11 void malloc_alloc::decllocate(void *p)
12 {
13     free(p);
14 }
15 
16 void * malloc_alloc::realloc(void *p, size_t new_sz)
17 {
18     void *result = realloc(p, new_sz);
19     if (0 == result)    result = oom_realloc(p, new_sz);
20     return result;
21 }
22 
23 //当内存不足时，需要客户端设置handler
24 void malloc_alloc::set_malloc_oom_handler(void(*f)())
25 {
26     malloc_oom_handler = f;
27 }
28 
29 void(*malloc_alloc::malloc_oom_handler)() = 0;
30 
31 void *malloc_alloc::oom_malloc(size_t n)
32 {//不断试图获得内存
33     void *result;
34     for (;;)    //据说这样比while(1)效果更优
35     {
36         if (0 == malloc_oom_handler) THROW_OOM;
37         (*malloc_oom_handler)();
38         result = malloc(n);
39         if (result)    return result;
40     }
41 }
42 
43 void *malloc_alloc::oom_realloc(void *p, size_t n)
44 {
45     void *result;
46     for (;;)
47     {
48         if (0 == malloc_oom_handler) THROW_OOM;
49         (*malloc_oom_handler)();
50         result = realloc(p, n);
51         if (result)    return result;
52     }
53 }

malloc_alloc.cpp

  如果需要的区块超过128bytes则用第一级，否则用第二级的内存池管理。为了便于管理，配置器会自动将内存需求量上调到8的倍数（要求20bytes时，自动调整为24bytes）。用16个freelist管理内存池，为节省空间，使用union

union obj {   //free-lists的节点构造 
   union obj *next;
   char client[1];  //使用者可见
  };

 获取内存时的代码及步骤如下

void *default_alloc::allocate(size_t n)
{
    obj *result = 0;
    obj **my_free_list = 0;
    if (n > MAX_BYTES)
        return malloc_alloc::allocate(n);
    //寻找free lists中合适的一个                
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = *my_free_list;
    if(0 == result)
    {//没有找到可用的freelist，从内存池里取出空间
        return refill(ROUND_UP(n));
    }
    //调整freelist
    *my_free_list = result->next;
    return result;
}

View Code

 

  当free list中没有可用区块时，调用refill()为free list填充空间，新的空间取自内存池（由chunk_alloc()完成）。如果内存池不够，则malloc之，如果系统heap空间也不够，chunk_alloc()就寻找还有空闲区块的free list并将其内存充公，如果还是不够就调用第一级配置器。第一级配置器有实现new-handler机制，内存不够会抛出异常。

 

 

#ifndef _DEFAULT_ALLOC_H
#define _DEFAULT_ALLOC_H

namespace Chenstl{    
    //使用内存池以减少碎片
    class default_alloc {
    private:
        enum { ALIGN = 8};
        enum { MAX_BYTES = 128 };
        enum { NFREELISTS = 16 };
        //static const int ALIGN = 8;
        //static const int MAX_BYTES = 128;
        //static const int NFREELISTS = 16;    //MAX_BYTES/ALIGN
        union obj {            //free-lists的节点构造 
            union obj *next;
            char client[1];
        };
        //freelist
        static obj *free_list[NFREELISTS];
        static char *start_free;    //内存池的起始位置
        static char *end_free;        //内存池的终止位置
        static size_t heap_size;

    private:
        //将bytes上调至8的倍数 
        static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {
            return ((bytes +ALIGN - 1) & ~(ALIGN - 1));
        }
        //获取合适的区块在freelist中的位置
        static  size_t FREELIST_INDEX(size_t __bytes) {
            return (((__bytes)+(size_t)ALIGN - 1) / (size_t)ALIGN - 1);
        }
        //返回一个大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到free-list
        static void *refill(size_t n);
        //配置一大块空间，可容纳nobjs个大小为size的区块
        //如果配置nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低
        static char *chunk_alloc(size_t size, int &nobjs);

    public:
        static void *allocate(size_t n);
        static void deallocate(void *p, size_t n);
        static void *realloc(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz);
    };
}

#endif

default_alloc.h

 

#include "default_alloc.h"
#include "malloc_alloc.h"
using namespace Chenstl;

default_alloc::obj *default_alloc::free_list[NFREELISTS]
= { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, };
char *default_alloc::start_free = 0;    //内存池的起始位置
char *default_alloc::end_free = 0;        //内存池的终止位置
size_t default_alloc::heap_size = 0;

void *default_alloc::allocate(size_t n)
{
    obj *result = 0;
    obj **my_free_list = 0;
    if (n > MAX_BYTES)
        return malloc_alloc::allocate(n);
    //寻找free lists中合适的一个                
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = *my_free_list;
    if(0 == result)
    {//没有找到可用的freelist，从内存池里取出空间
        return refill(ROUND_UP(n));
    }
    //调整freelist
    *my_free_list = result->next;
    return result;
}

void default_alloc::deallocate(void *p, size_t n)
{

}
//返回一个大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到freelist
//在ANSI c中，void *不允许进行加减操作，所以chunk用char *
void *default_alloc::refill(size_t n)
{
    int objs = 20;
    char *chunk = chunk_alloc(n, objs);
    
    obj *next, *current;
    obj *result;
    obj **my_free_list;
    if (1 == objs)    //只取出一个区块
        return chunk;
    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
    result = (obj *)chunk;    //这一块返回给客户端
    //将freellist指向分配的区域
    *my_free_list = next = (obj *)chunk + n;
    for (int i = 1;; i++)
    {
        current = next;
        next = (obj *)((char *)next + n);    //这里注意不能直接用next+n
        if (i == objs - 1)
        {
            current->next = 0;
            break;
        }
        else
            current->next = next;
    }
    return result;    
}

char *default_alloc::chunk_alloc(size_t size, int &nobjs)
{
    char *result = 0;
    size_t total_bytes = size*nobjs;
    size_t bytes_left = end_free - start_free;    //内存池剩余空间
    if (bytes_left >= total_bytes)
    {//内存池足够提供所需内存
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return result;
    }
    else if (bytes_left >= size)
    {//内存池足够供应一个以上的区块
        nobjs = bytes_left / size;
        total_bytes = nobjs * size;
        result = start_free;
        start_free += total_bytes;
        return result;
    }
    else
    {//内存池一块区块也供应不了
        size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);;
        if (bytes_left>0)
        {//将内存池的零头分配给合适的freelist
            obj **my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
            ((obj *)start_free)->next = *my_free_list;
            *my_free_list = (obj *)start_free;
        }
        start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);
        if (!start_free)
        {//系统堆内存不足，寻找还未使用的freelist
            obj *p = 0;
            obj **my_free_list = 0;
            for (int i = size; i < MAX_BYTES; ++i)
            {
                my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
                p = *my_free_list;
                if (0 != p)
                {//还有未使用的freelist
                    start_free = (char *)p;
                    *my_free_list = p->next;
                    end_free = start_free + i;
                    //递归调用，修正nobjs
                    return chunk_alloc(size, nobjs);
                }
            }
            //没内存可用，寄希望于第一级的new-handler或抛出异常
            end_free = 0;
            start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
        }
        heap_size += bytes_to_get;
        end_free = start_free + bytes_to_get;
        return chunk_alloc(size, nobjs);//递归调用，修正nobjs
    }
}

default_alloc.cpp