STL-空间配置器(allocator)
STL的空间配置器作为STL六大部件的重要组成部分,它总是隐藏在一切组件的背后.它主要负责动态空间的分配、释放等管理工作。整个STL的操作对象(所有的数值)都存放在容器之内,而容器一定需要配置空间以置放资料。而这就是空间配置器(allocator)的职责了.
一.SGI的空间配置器—std::alloc
STL allocator将内存分配/释放和对象构造/析构区分开来.内存配置操作由alloc::allocate()负责,内存释放由alloc::deallocate()负责;对象构造操作由::construct()负责,对象析构操作由::destroy()负责.
STL标准表格告诉我们,配置器定义于<memory>中，SGI<memory>内含两个文件:
#include <stl_alloc.h> //负责内存空间的配置与释放
#include <stl_construct.h> //负责对象内容的构造与析构
1.构造和析构基本工具:construct()和destroy()
#include <new.h> //欲使用placement new,需先包含此文件 template<class T1,class T2> inline void construct(T1* p,const T2& value){ new (p) T1(value); //placement new;调用T1::T1(value); } //以下是destroy()第一版本,接受一个指针 template<class T> inline void destroy(T* pointer){ pointer->~T();//调用dtor ~T() } template<class ForwardIterator> inline void destroy(ForwardIterator first,ForwardIterator last){ __destroy(first,last,value_type(first)); } //判断元素的数值型别(value type)是否有trivial destructor template <class ForwardIterator,class T> inline void destroy(ForwardIterator first,ForwardIterator last,T*){ typedef typename __type_trait<T>::has_trivial_destructor trivial_destructor; __destroy_aux(first,last,trivial_destructor()); } //如果元素的数值型别(value_type)有non-trivial destructor template <class ForwardIterator> inline void __destroy_aux(ForwardIterator first,ForwardIterator last,__false_type){ for(;first<last;first++) destroy(&*first); } template <class ForwardIterator> inline void __destroy_aux(ForwardIterator first,ForwardIterator last,__true_type){} inline void destroy(char*,char*){} inline void destroy(wchar_t*,wchar_t*){}
2.空间的配置与释放
SGI是以malloc()和free()完成内存的配置与释放.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。第一级配置器直接使用malloc()和free(),第二级配置器则视情况采用不同的策略:当配置区块超过128bytes时,视之为"足够大",便调用第一级配置器;当配置区块小于128bytes时,视之为"过小",为了降低额外负担，便采用memory pool整理方式,而不再求助于第一级配置器。
无论alloc被定义为第一级或第二级配置器,SGI还为它再包装了一个接口,使配置器的接口更符合STL规格。
template <class T,class Alloc> class simple_alloc{ public: static T* allocate(size_t n){ return 0==n?0:(T*)Alloc::allocate(n*sizeof(T)); } static T* allocate(void){ return (T*)Alloc::allocate(sizeof(T)); } static void deallocate(T* p,size_t n){ if(n!=0) Alloc::deallocate(p,n*sizeof(T)); } static void deallocate(T* p){ Alloc::deallocate(p,sizeof(T)); } };
其内部四个成员函数其实都是单纯的转调用,调用传递给配置器(可能是第一级也可能是第二级)的成员函数。SGI STL容器全部都是使用这个simple_alloc接口。
2.1 第一级配置器 __malloc_alloc_template剖析
//注意,无"template型别参数",inst完全没有派上用场 template<int inst> class __malloc_alloc_template{ private: //以下都是函数指针,所代表的函数将用来处理内存不足的情况 //oom:out of memory static void* oom_malloc(size_t); static void* oom_realloc(void*,size_t); static void (*__malloc_alloc_oom_handler)(); public: static void* allocate(size_t n){ void* result=malloc(n); if(0==result) result=oom_malloc(n); return result; } static void deallocate(void* p,size_t /*n*/){ free(p); } static void* reallocate(void* p,size_t old_sz,size_t new_sz){ void* result=realloc(p,new_sz); if(0==result) oom_realloc(p,new_sz); return result; } //以下仿真C++的set_new_handler() static void (*set_malloc_handler(void (*f)()))(){ void (*old)()=__malloc_alloc_oom_handler; __malloc_alloc_oom_handler=f; return (old); } }; void (*__malloc_alloc_template<int>::__malloc_alloc_oom_handler)()=0; template<int inst> void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n){ void (*my_malloc_handler)(); void* result; for(;;){ //不断尝试释放、配置、释放、配置... my_malloc_handler=_malloc_alloc_oom_handler; if(0==my_malloc_handler) {__THROW_BAD_ALLOC;} (*my_malloc_handler)();//调用处理例程,企图释放内存 result=malloc(n); //再次尝试分配内存 if(result) return (result); } } template<int inst> void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_realloc(size_t n){ void (*my_malloc_handler)(); void* result; for(;;){ //不断尝试释放、分配、释放、分配... my_malloc_handler=_malloc_alloc_oom_handler; if(0==my_malloc_handler) {__THROW_BAD_ALLOC;} (*my_malloc_handler)();//调用处理例程,企图释放内存 result=realloc(p,n); //再次尝试分配内存 if(result) return (result); } }
所谓c++ new handler机制是,当系统在内存配置需求无法被满足时，调用一个你指定的函数。也就是说,一旦::operator new无法完成任务,在丢出std::bad_alloc异常状态时,会先调用用户所指定的例程。
2.1 第二级配置器 __default_alloc_template剖析
SGI第二级配置器的做法是,如果区块足够大，超过128bytes时，就移交第一级配置器处理。当区块小于128bytes时,则以内存池(memory pool)管理：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free-list中取出。如果客户端释还小额区块,就由配置器回收到free-list中。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,并维护16个free-list，各自管理大小分别为8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128bytes的区块。
//free-lists的节点结构如下: union obj{ union obj* free_list_link; char client_data[1]; //The client sees this };
第二级配置器的部分源码:
//free-lists的节点结构如下: union obj{ union obj* free_list_link; char client_data[1]; //The client sees this }; enum {__ALIGN=8};//小型区块的上调边界 enum {__MAX_BYTES=128}; //小型区块的上限 enum {__NFREELISTS=__MAX_BYTES/__ALIGN}; //free-lists的个数 //以下是第二级配置器 template <bool threads,int inst> class __default_alloc_template{ private: //ROUND_UP()将bytes上调至8的倍数 static size_t ROUND_UP(size_t bytes){ return ((bytes)+__ALIGN-1) & ~(__ALIGN-1)); } private: union obj{ //free-lists的节点构造 union obj* free_list_link; char client_data[1]; }; private: //16个free-lists static obj* volatile free_list[__NFREELISTS]; //以下函数根据区块大小,决定使用第n号free-lists.n从1开始 static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes){ return ((bytes)+__ALIGN-1)/__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 static char* chunk_alloc(size_t size,int &nobjs); //chunk allocation state static char* start_free;//内存池起始位置 static char* end_free; static size_t heap_size; public: static void* allocate(size_t n){} static void deallocate(void* p,size_t n){} static void* reallocate(void* p,size_t old_sz,size_t new_sz); }; //以下是static data memeber的定义与处置设定 template <bool threads,int inst> char* __default_alloc_template<threads,inst>::start_free=0; template <bool threads,int inst> char* __default_alloc_template<threads,inst>::end_free=0; template <bool threads,int inst> size_t __default_alloc_template<threads,inst>::heap_size=0;
