stl源码剖析_STL源码剖析 阅读笔记（二）allocator

一、空间分配器 allocator

从使用上看，空间分配在任何语言的任何组件都不需要我们去过多关心，因为语言、组件的底层肯定都比较完整的做了这件事情。

从实现上看，学习 allocator 的原理在源码学习中是首当其冲。因为没有空间分配，则无从谈起对象创建。这里说是空间分配，而不是内存分配，是因为也可以在内存之外的地方（如硬盘）分配空间。

分配器主要作用就是分配空间，根据规范，其需要实现一些接口，完成一些关于空间分配的功能。标准接口规范见附录（一）。

本文会提到以下几个方面：

  • SGI STL 分配器介绍
  • construct 和 destroy
    • destroy 接收指针和迭代器的方法
  • alloc 分配器
    • 一层分配器
    • 二层分配器 和 free-list
      • 分配
      • 释放
      • 补充
  • 全局函数
    • uninitialized_copy
    • uninitialized_fill
    • uninitialized_fill_n

二、SGI STL 的 alloc

SGI STL 的分配器与众不同，也与标准规范不同，其名称是 alloc 而非 allocator，而且不接受任何参数。具体来说，想在程序中明确使用 SGI 分配器，不能写std::allocator<int>，而要写成std::alloc。

即使它不符合标准规范，也不会对我们使用造成任何影响，因为通常我们都使用缺省的分配器，而不会自己指定。而 STL 的每一个容器都指定缺省分配器为 alloc。

当然了，SGI 也定义了符合部分标准、名为 allocator 的分配器，但出于其效率原因，STL 从未使用它，也不推荐程序员使用。它只是把 ::operator new 和 ::operator delete 做了一层薄薄的封装，没有做优化。详细代码见附录（二）。

下面详细聊聊 SGI STL 实现的 alloc 。

一般而言，C++的内存分配和释放操作如下：

class Foo {...};
Foo * pf = new Foo;    // 分配内存，构造对象
delete pf;             // 析构对象，释放内存
  • new 内含两步操作：（1）调用 ::operator new 分配内存（2）调用 Foo::Foo() 构造对象内容。
  • delete 内含两步操作：（1）调用 Foo::~Foo() 析构对象（2）调用 ::operator delete 释放内存。

为了精细分工，分配器将这两个步骤分开做。内存分配由 alloc::allocate() 负责，内存释放由 alloc::deallocate() 负责；对象构造由 ::construct() 负责，对象析构由 ::destroy() 负责。 

// STL规定分配器 allocator 定义于 memory 中
#include <memory>// memory 中含有两个文件
#include <stl_alloc.h>          // 负责内存空间的分配和释放，定义了 一级、二级分配器。
#include <stl_construct.h>      // 负责对象内容的构造和析构，有 construct 和 destroy 方法。// memory 中还有一个文件
#include <stl_uninitialized.h>  // 定义了一些全局函数，用来填充fill 或者 复制copy 大块内存的数据
// 其中有如下方法
// un_initialized_copy()
// un_initialized_fill()
// un_initialized_fill_n()
// 这些方法不属于分配器的范畴，但与对象初值设置有关，对大规模元素初值设置很有帮助。
// 在效率上，最差会调用 construct，最佳会调用C的 memmove 进行内存移动。

（一）construct 和 destroy

对于对象的 construct 和 destroy 可以概括如下图所示。其源码见附录（三）

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  • construct 接收 指针p 和 初值value，会将value设置到p所指的空间上。
  • destroy 可以接收 指针、迭代器。
    • 基本类型指针：不做处理
    • 对象类型指针：调用析构函数
    • 迭代器：会判断析构函数是否为 trivial destructor（无用的、没必要的、无意义的析构函数）
      • 是：则不做处理
      • 否：调用 迭代器中每个元素的析构函数。

这里有个问题是，如何判断是否为 trivial呢？

答案是：使用 __type_traits<T>::has_trivial_destructor() ，该函数会返回 __true_type 或 __false_type，前者代表是trivial，后者代表是有意义的。

该类的具体实现需要去研究下 traits，这里先不展开。

（二）STL alloc

<stl_alloc.h> 负责了对象构造前的空间分配和对象析构前的空间释放，有下面几个设计原则：

  • 向 system heap 申请空间
  • 考虑多线程状态（为了将问题简化，这里不讨论多线程状态）
  • 考虑内存不足的应变措施
  • 考虑过多小块内存造成的碎片问题

C++ 的内存分配和释放主要使用 ::operator new() 和 ::operator delete()，这两个相当于C的 malloc() 和 free()，SGI 正是以 malloc 和 free 完成的内存分配和释放。

SGI 设计了双层分配器，如下图所示：

  • 第一级直接使用 malloc 和 free
  • 第二级，当需求大于128 bytes 时，调用一级分配器；小于等于128 bytes 则调用二级分配器。

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具体采用哪种分配器，需要看 __USE_MALLOC 是否被定义。定义了则用一级分配器，否则调用二级分配器。

SGI 为 alloc 提供了一个 simple_alloc 的接口封装，使得外层使用时无需考虑内部具体用的一级还是二级。SGI STL 的容器都使用这个 simple_alloc 接口，而非直接使用 alloc。代码见附录（四）。

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一级分配器的原理比较简单，正常情况就是调用 malloc 和 free 做分配和释放。当内存不够时需要使用 oom_malloc，在该函数中，会循环调用一个 handler 来处理内存不足的情况。这个 handler 是需要自己指定的，如果没有指定，则抛出 std::bad_alloc 异常。这个 handler 一般称为 new-handler，在 《Effective C++》2e item7 中有特定的解决模式。

（三）STL 二级分配器

下面着重说说二级分配器。

二级分配器可以避免产生过多的小区块，可以解决内存碎片和过多的额外开销（系统需要多出来的空间管理内存，可以说是给系统“交税”）。

二级分配器以内存池（memory pool）管理小于128 bytes 的内存，称为次层分配（sub-allocation）：先分配一大块内存，组成一个自由链表（free-list），每次要取一定量内存时，从 free-list 中取；在用完后，分配器就归还给 free-list。

分配器会维护 空间为 8、16、24、……、128 这16个 free-list，在分配小内存时，会向上取整（Round Up），寻找最近的 free-list。

free-list 节点结构是一个联合体，该节点在free-list中时，内容是一个指向 下一个节点的指针，在客户端使用时，是具体的数据。这样一物二用，不会造成维护链表指针的内存浪费。这个技巧在强类型语言（Strong Typed）中如 Java 行不通，但在弱类型语言（Weak Typed）中如 C++十分常见。

union obj{union obj * free_list_link;  char client_data[1];         // client use
}

854f117a8d29d715e054706e633ee5b7.png
free-list 的实现技巧

次层分配中从 free list 分出内存的步骤 allocate 如下图所示：

e0e9850240c93bf637f3d6ae62f55943.png

次层分配中释放内存，往 free list 中归还的步骤 deallocate 如下图所示：

aa1428915638b71c97e92680a2cd766d.png

当 free-list 的空间用尽后，会触发 refill 操作，重新给 free-list 补充 20个节点。refill 会调用 chunk_alloc，该函数中会做具体从内存池中取内存的操作。其过程如下所示。

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简而言之就是，先找自己（32找32），再找亲友（64找32），实在不行就求助大家（96找32）。

三、内存基本处理工具

STL 定义了五个全局函数，除了前文提到的 construct 和 destroy，还有3个用来处理大块内存的复制和移动的 unitialized_copy、uninitialized_fill、uninitialized_fill_n 分别对应高层次的函数 copy、fill、fill_n。

unitialized_copy 函数让内存配置与对象构造行为分开。如果目标地址指向的空间都是未初始化区域，则会直接把源区域的对象产生复制品直接放到目标地址。STL 规范中要求该函数具有原子性，要么全部构造出来，要么全部不构造。

uninitialized_fill、uninitialized_fill_n 也和 unitialized_copy 类似。

这三个函数都会判断 对象是否为 POD（Plain Old Data，标量 or 传统 C 结构体），POD 会具有 trivial 函数，如果是 POD 则用最有效率的方法，如果非 POD 则用最安全的方法。过程大致如下所示。

414b754cec9f1ebfe379c685bb6da155.png

附录

（一）标准接口规范

根据 STL 规范，allocator 必须要实现以下接口。

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（二）SGI allocator 源码

下面是 SGI 实现的 allocator 全貌

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（三）construct 和 destroy 源码

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（四）simple_alloc 和 vector

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