C++ STL学习之空间配置器(allocator)

众所周知,一般情况下,一个程序包括数据结构和相应的算法,而数据结构作为存储数据的组织形式,与内存空间有着密切的联系. 在C++ STL中,空间配置器便是用来实现内存空间(一般是内存,也可以是硬盘等空间)分配的工具,他与容器联系紧密,每一种容器的空间分配都是通过空间分配器alloctor实现的.理解alloctor的实现原理,对内存结构以及数据存储形式会有更清晰直观的认识.

1.两种C++类对象实例化方式的异同

在c++中,创建类对象一般分为两种方式:一种是直接利用构造函数,直接构造类对象,如 Test test();另一种是通过new来实例化一个类对象,如 Test *pTest = new Test;那么,这两种方式有什么异同点呢?

我们知道,内存分配主要有三种方式:

(1)静态存储区分配:内存在程序编译的时候已经分配好,这块内存在程序的整个运行空间内都存在.如全局变量,静态变量等.
(2)栈空间分配:程序在运行期间,函数内的局部变量通过栈空间来分配存储(函数调用栈),当函数执行完毕返回时,相对应的栈空间被立即回收. 主要是局部变量.
(3)堆空间分配:程序在运行期间,通过在堆空间上为数据分配存储空间,通过malloc和new创建的对象都是从堆空间分配内存,这类空间需要程序员自己来管理,必须通过free()或者是delete()函数对堆空间进行释放,否则会造成内存溢出.

那么,从内存空间分配的角度来这两种方式的区别,就比较容易区分:

对于第一种方式来说,是直接通过调用Test类的构造函数来实例化Test类对象的,如果该实例化对象是一个局部变量,则其是在栈空间分配相应的存储空间.
对于第二种方式来说,就显得比较复杂.这里主要以new类对象来说明一下.new一个类对象,其实是执行了两步操作:首先,调用new在堆空间分配内存,然后调用类的构造函数构造对象的内容;同样,使用delete释放时,也是经历了两个步骤:首先调用类的析构函数释放类对象,然后调用delete释放堆空间.

2.C++ STL空间配置器实现

很容易想象,为了实现空间配置器,完全可以利用new和delete函数并对其进行封装实现STL的空间配置器,的确可以这样.但是,为了最大化提升效率,SGI STL版本并没有简单的这样做,而是采取了一定的措施,实现了更加高效复杂的空间分配策略.由于以上的构造都分为两部分,所以,在SGI STL中,将对象的构造切分开来,分成空间配置和对象构造两部分.

内存配置操作:alloc::allocate()实现
内存释放操作:alloc::deallocate()实现
对象构造操作: ::construct()实现
对象释放操作: ::destroy()实现

STL对象构造与释放结构图如下所示:
C++ STL学习之空间配置器(allocator)

关于对象的构造和释放的实现,此处buxijia不细讲,但其中利用了replacement new技术,单独说一下.

replacement new技术实际上就是将一个对象构造在指定的内存区域中.该内存区域可以是静态数据区,栈空间或者是堆空间,对于内存的管理方式不变.如下代码说明replacement new的用法.

#include<new.h> Class Test {...}; char *p = (char *)malloc(sizeof(Test)); Test *tp = new(p) Test();//replacement new
关于内存空间的配置与释放,SGI STL采用了两级配置器:一级配置器主要是考虑大块内存空间,利用malloc和free实现;二级配置器主要是考虑小块内存空间而设计的(为了最大化解决内存碎片问题,进而提升效率),采用链表free_list来维护内存池(memory pool),free_list通过union结构实现,空闲的内存块互相挂接在一块,内存块一旦被使用,则被从链表中剔除,易于维护.
free_list的结构如下所示:
union obj{ union obj *free_list_link; char client_data[1]; };
free_list的实现技巧如下图所示:
C++ STL学习之空间配置器(allocator)

从free_list取出内存块示意图:
C++ STL学习之空间配置器(allocator)

释放内存块加入free_list示意图:
C++ STL学习之空间配置器(allocator)

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参考资料

[1] https://www.cnblogs.com/tony-li/p/4111588.html
[2]STL源码剖析