C++ allocator

说一说C++里的allocator。我们知道，C++ STL里定义了很多的容器（containers），每一个容器的第二个模板参数都是allocator类型。比方说在VC10里，vector类的模板声明为：

  template<class _Ty, class _Ax = allocator<_Ty> >
  class vector

但是，基本上很少有人会自定义一个allocator。一来，默认的allocator已经够用了；二来，确实不知道该怎么用。一般来说，我们没有必要重新定义一个allocator。自定义的方式主要是为了提高内存分配相关操作的性能。而STL提供的方式性能已经足够好了。事实上，在windows平台上，new的底层实现是基于C语言的malloc函数；malloc函数家族又是基于Windows HeapCreate、HeapAlloc、HeapFree等相关API来实现的（具体可以参考%VSInstallFolder%\VC\crt\src目录中的heapinit.c、malloc.c和new.cpp等相关函数）。

先撇开性能的问题不说，我们看一看如何实现一个自己的allocator。

在C++ 2003标准文档里，关于allocator的说明其实并不多，大概就20.1.5 Allocator requirements和20.4.1 The default allocator两处主要位置。虽然内容不多，但是足够我们写出一个自己的allocator。

根据Allocator requirements我们需要提供一些typedefs：

template <typename T>
class CHxAllocator
{
public:
    // typedefs...
    typedef T                   value_type;
    typedef value_type*         pointer;
    typedef value_type&         reference;
    typedef value_type const*   const_pointer;
    typedef value_type const&   const_reference;
    typedef size_t              size_type;
    typedef ptrdiff_t           difference_type;

    // rebind...
    template <typename _other> struct rebind { typedef CHxAllocator<_other> other; };
};

在这里有一个比较不太容易理解的东西：rebind。C++标准里这么描述rebind的：

The member class template rebind in the table above is effectively a typedef template: if the name Allocator is bound to SomeAllocator<T>, then

Allocator::rebind<U>::other is the same type as SomeAllocator<U>.

啥意思？可以用一个简单的例子来说明下：

学校都学过数据结构，比方说栈、单向列表、树。我们就拿栈和列表来对比，看看有什么大不一样的地方。撇开数据结构上的差异，从allocator的角度来看，我们可以发现：堆栈是存贮元素本身的，但是列表实际上不是直接存储元素本身的。要维护一个列表，我们至少还需要一个所谓的next的指针。因此，虽然是一个保存int的列表list<int>，但是列表存储的对象并不是int本身，而是一个数据结构，它保存了int并且还包含指向前后元素的指针。那么，list<int, allocator<int>>如何知道分配这个内部数据结构呢？毕竟allocator<int>只知道分配int类型的空间。这就是rebind要解决的问题。通过allocator<int>::rebind<_Node>()你就可以创建出用于分配_Node类型空间的分配器了。

接下来要提供其他的接口。根据The default allocator的描述，我们要提供如下一些接口：

pointer address(reference val) const const_pointer address(const_reference val) const	返回val的地址
pointer allocate(size_type cnt, CHxAllocator<void>::const_pointer pHint = 0)	分配空间。类似malloc。pHint可以无视，主要是给类库使用，用于提高性能。
void deallocate(pointer p, size_type n)	释放空间，类似free。
size_type max_size() const throw()	可分配的最大数量。
void construct(pointer p, const_reference val)	在地址p所指向的空间，使用val进行填充。需要使用到palcement new，以便保证调用到构造函数。
void destroy(pointer p)	析构p指向的内存块中内容。一般通过显示调研析构函数来执行。
allocator() throw () allocator(const_reference) throw () template <typename _other> allocator(CHxAllocator <_other> const&) throw() ~CHxAllocator() throw()	各种构造函数和析构函数

如何实现上面这些函数，你只要照抄标准库中的实现就可以了。如果你想要用c的malloc和free来实现，也可以这么写：

pointer allocate(size_type cnt, CHxAllocator<void>::const_pointer pHint = 0)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(pHint);

    if (cnt <= 0)
    {
        return 0 ;
    }

    void* pMem = nullptr ;
    if (max_size() < cnt || (pMem = malloc(cnt * sizeof(value_type))) == NULL)
    {
        throw std::bad_alloc(0);
    }

    return static_cast <pointer>(pMem);
}

void deallocate(pointer p, size_type)
{
    free(p);
}

void construct(pointer p, const_reference val)
{
    :: new ((void *)p) T(val);
}

void destroy(pointer p)
{
    p->~T();
}

基本上，我们就简单实现了一个自己的allocator。另外，除了这些最主要的接口函数，你还需要实现比较操作符==和!=，但是这些函根据标准文档，都直接返回true和false。

开头已经说了，重写allocator的主要目的是为了提高性。那怎样才能提高性能呢？直接使用Windows的HeapXXXX堆内存API？其实，你自己用一下就会发现，性能提升并不明显。因为通过new，再通过malloc，最后通过HeapAlloc不比直接调用HeapAlloc多几句话。如何实现一个高性能的allocator，需要借助memory pool的想法。另外，侯捷的stl源码剖析里分析了SGI STL利用类似想法实现的一个alloc。