STL-空间配置器的了解

前言

        空间配置器，顾名思义就是为了各个容器高效的管理空间（空间的申请与回收）的，在默默的工作的。虽然在常规上使用STL时，可能用不上它，但是站在学习研究的角度，学习它的实现原理对我们有很大的帮助。

目录

1.为什么需要空间配置器

2.SGI—STL空间配置器实现原理

3.一级空间配置器实现原理

        3.1 一级空间配置器

        3.2 二级空间配置器

                3.2.1内存池

                3.2.2 SGI-STL中二级空间配置器设计

        3.3 SGI-STL二级空间配置器之空间申请

                3.3.1前期的准备

                3.3.2申请空间

                        3.3.2.1填充内存块

                        3.3.2.2向内存池中索要空间

                3.3.3空间的回收

        3.4 空间配置器的默认选择

        3.5 空间配置器的再次封装

        3.6 对象的构造和释放

        

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1.为什么需要空间配置器

        new申请的空间，虽然可以使用，但是有以下不足之处：

        1.空间申请与释放需要用户自己管理，容易造成内存泄露 

        2.频繁向系统申请小块内存块，容易造成内存碎片

        3.频繁向系统系统申请小块内存，影响程序运行效率

        4.直接使用malloc和new进行申请每块空间前有额外空间浪费

        5.申请失败如何应对

        6.代码结构比较混乱，代码复用率不高

        7.未考虑线程安全问题

        由于存在这些问题，因此需要一块高效的的内存管理机制。 

2.SGI—STL空间配置器实现原理

        频繁的向系统申请小块内存会有很多的问题，那么怎么样的内存算是小块内存呢？

        SGI-STL以128作为大内存和小内存的分界线，将空间配置器分为两级结构，一级空间配置器处理大块内存，二级空间配置器处理小块内存。 

3.一级空间配置器实现原理

        3.1 一级空间配置器

        一级空间配置器的原理非常简单，直接对malloc和free进行了封装，并增加了C++中set_new_handle思想。

namespace qyy
{template <int inst>class __malloc_alloc_template{private:static void* oom_malloc(size_t);public://对malloc进行封装static void* allocate(size_t n){//申请空间成功直接返回，失败了交给oom_malloc处理void* result = malloc(n);if (result == 0){result = oom_malloc(n);}return result;}//对free进行封装static void* deallocate(void* p, size_t){free(p);}//模拟实现set_malloc_handler//该函数参数为函数指针，返回值也是函数指针//void(*set_malloc_handler(void*(f*)( )  )) ()static void (*set_malloc_hander(void (*f)()))(){void (*old)() = __malloc_alloc_oom_handler;__malloc_alloc_oom_handler = f;return (old);}};//malloc空间申请失败时调用该函数template<int inst>void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t){void(*my_malloc_handler)();void* result;for (;;){//检测用户是否设置空间不足应对措施，如果没有设置，抛异常模拟new的方式my_malloc_handler = __malloc_alloc_handler;if (0 == my_malloc_handler){__THROW_BAD_ALLOC;}//如果设置了，执行用户提供空间不足应对措施(*my_malloc_handler)();//继续申请空间可能就会成功result = malloc(n);if (result)return (result);}}typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;}

        3.2 二级空间配置器

        二级空间配置器是专门负责处理小于128字节的小块空间。如何才能提升小块内存的的申请和释放的方式呢？SGI-STL采用了内存池的技术来提高申请空间的速度以及减少额外的空间的浪费，采用哈希桶的方式来提高用户获取空间的速度与高效管理。 

                3.2.1内存池

        内存池就是：先申请一块比较大的内存当做备用，当需要内存时，直接去内存池中拿内存就好了，当内存池中的空间不够时，再向内存中取，当用户不用时，直接还回内存池即可。避免了频繁的向系统申请小块内存所造成的效率低，内存碎片以及额外浪费的问题。 

                3.2.2 SGI-STL中二级空间配置器设计

        SGI-STL中的二级空间配置器使用了内存池技术，但是没有采用链表的方式对用户已归还的空间进行管理（因为用户申请空间时是在查找合适的小块内存时效率较低），而采取哈系桶的方式进行管理。那么是否128个桶来管理已归还的空间呢？答案是不需要的，因为用户申请空间基本上都是按照4的整数倍来申请的，其他大小的空间基本很少用到，因此：SGI-STL将用户申请的内存块向上对其到了8的整数倍。  

        3.3 SGI-STL二级空间配置器之空间申请

                3.3.1前期的准备

namespace qyy
{template<int inst>class __default_alloc_template{private:enum {__ALIGN = 8};//如果用户需要的内存不是8的整数倍，向上对其到8的整数倍enum {__MAX_BYTES = 128};//大小块内存的分界线enum { __NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN };//采用哈希桶保存小块内存时所需要的内存个数static size_t ROUND_UP(size_t bytes){return (((bytes)+__ALIGN - 1) & ~(ALIGN - 1));}private://用联合图来维护链表结构union obj{union obj* free_list_link;char client_data[1];};private:static obj* free_list[__NFREELISTS];//哈希函数根据用户提供的字节数找到对应的桶号static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes){return (((bytes)+__ALIGN - 1) / ALING - 1);}//start_free 和end_free用来标记内存池中大块内存的起始和末尾位置static char* start_free;static char* end_free;//用来记录该空间配置器已经向系统索要了多少的块内存static size_t heap_size;///...};
}

                3.3.2申请空间

//函数功能：向空间配置器索要空间//参数n：所需要的空间字节数//返回值：返回空间的首地址static void* allocate(size_t n){obj* __VOLATILE* my_free_list;obj* __RESTRICT result;//检测用户所需要的空间是否在超过128字节(即是否为小块内存）if (n > (size_t)__MAX_BYTES){//不是小块内存交给一级空间配置器来处理return (malloc_alloc::allocate(n));}//根据用户所需要的字节找到对应的桶号my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);result = *my_free_list;//如果桶里面没有内存块，向桶里面补充内存块if (result == 0){//n将向上对齐到8的整数倍,保证向桶里面补充内存块时，内存块一定是8的整数倍void* r = refill(ROUND_UP(n));return r;}//维护桶里面剩余内存块的链式关系*my_free_list = result->free_lsit_link;return (result);}

                        3.3.2.1填充内存块

		//函数功能：向哈系桶里面补充空间//参数n小块内存//首个小块内存的首地址template<int inst>void* __default_alloc_template<inst>::refill(size_t n){//一次性向内存池索要20个n字节的空间int nobjs = 20;char* chunk = chunk_alloc(n, nobjs);obj** my_free_list;obj* result;obj* current_obj, * next_obj;int i;//如果只有一块直接返回给用户if (1 == nobjs)return (chunk);//找到对应的桶号my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);//将第一块返回给用户，去其他的挂到哈系桶中result = (obj*)chunk;*my_free_list = next_obj = (obj*)(chunk + n);for (i = 1;;i++){current_obj = next_obj;next_obj = (obj*)((char*)next_obj + n);if (nobjs - 1 == i){current_obj->free_list_link = 0;break;}else{current_obj->free_list_link = next_obj;}}return (result);}

                        3.3.2.2向内存池中索要空间

 

	    template<int inst>char* __default_alloc_tempalte<inst>::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs){//计算nobjs个size字节内存块的总大小以及内存池中剩余空间的总大小char* result;size_t total_bytes = size * nobjs;size_t bytes_left = end_free - start_free;//如果内存池可以提供total_bytes字节，返回if (bytes_left >= tatal_bytes){result = start_free;start_free += tatal_bytes;return (result);}else if (bytes_left >= size){//nobjs块无法提供，但是至少可以提供1块size字节的内存块，提供后返回nobjs = bytes_left / size;tatal_byte = size * nobjs;result = start_free;start_free += tatal_bytes;return (result);}else{//内存池空间不够连一小块内存都没有。//向系统堆求助，往内存池中补充空间//计算向内存中补充空间的大小：本次空间总大小的两倍 + 向系统申请总大小/16size_t bytes_to_get = 2 * tatal_byte + ROUND_UP(heap_size >> 4);//如果内存池有剩余空间（该空间一定是8的整数倍）将该空间挂到对应的哈希桶中if (bytes_left > 0){//找到对应的哈系桶obj** my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list; )* my_ree_list = (obj*)start_free;}//通过系统堆向内存池补充空间，如果补充成功，递归继续分配start_free = (char*)malloc(bytes_to_get);if (0 == start_free){//通过系统堆补充失败，在哈系桶中寻找是否有没有使用的较大块内存int i;obj** my_free_list, * p;for (i = size; i <= __MAX_BYTES;i += __ALIGN){my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);p = *my_free_list;//如果有，将该内存块补充进内存池，递归继续分配if (0 != p){*my_free_list = p->free_list_link;start_free = (char*)p;end_free = start_free + i;return (chunk_alloc(size, nobjs));}}//山穷水尽，只能向一级空间配置器求助//注意：此处一定要将end_free置空，因为一级空间配置器一旦抛异常就会出问题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));}}

                3.3.3空间的回收

		//函数功能：用户将空间归还给空间配置器//参数：p空间首地址 n空间总大小static void deallocate(void* p, size_t n){obj* q = (obj*)p;obj** my_free_list;if (n > (size_t)__MAX_BYTES){malloc_alloc::deallocate(p, n);return;}//找到对应的哈系桶，将内存挂到哈系桶中my_free_list=free_list+ FREELIST_INDEX(n);q->free_list_link = *my_free_list;*my_free_list = q;}

        3.4 空间配置器的默认选择

        SIG_STL默认使用一级空间配置器 还是二级空间配置器，是通过宏开关USE_MALLOC宏进行控制的。

         在SGI_STL中没有定义这个宏所以，默认情况下SGI_STL使用二级空间配置器。

        3.5 空间配置器的再次封装

        在C++中，用户所需要的空间可能是任意类型的，有单个对象的空间，有连续空间，每一次都让用户自己计算空间的总大小不是很友好，因此SGI_STL将空间配置器重新封装了一层。

template<class T,class ALLOC>class simlpe_alloc{public://申请n个T类型对象大小的空间static T* allocate(size_t n){return 0 == n ? 0 : (T*)ALLOC::allocte(n * sizeof(T));}//申请一个T类型对象大小的空间static T* allocate(void){return (T*)ALLOC::allocate(sizeof(T));}//释放n个T类型对象大小的空间static void deallocate(T* p, size_t n){if (0 != n){ALLOC::deallocate(p, n * sizeof(T));}}static void deallocate(T* p){ALLOC::deallocate(p, sizeof(T));}

 

        3.6 对象的构造和释放

        因为效率的需要，SGI_STL决定将空间的申请和释放和对象的构造析构两个过程分离，因为有些对象的构造不需要调用构造函数，销毁时不需要调用析构函数，将该过程分离可以提高程序的性能。

	//归还空间时，先调用析构函数进行资源的清理template <class T>inline void destory(T* pointer){pointer->~T();}//空间申请好后，调用该函数：利用placement-new完成对对象的构造template<class T1,class T2>inline void construct(T1* p, const T2& value){new(p)T1(value);}

         注意，在释放对象时，需要根据对象的类型来确定是否需要调用析构函数（类型萃取）

        对象的类型可以通过迭代器萃取到。

        这些内容难度较大作为了解就可以了。（对于初学者来说）