一般而言，我們習慣的 C++ 內(nèi)存配置操作和釋放操作是這樣的：

1 class FOO{}; 2 FOO *pf = new FOO; 3 delete pf;

　　我們看其中第二行和第三行，雖然都是只有一句，當是都完成了兩個動作。但你 new 一個對象的時候兩個動作是：先調(diào)用::operator new 分配一個對象大小的內(nèi)存，然后在這個內(nèi)存上調(diào)用FOO::FOO()構造對象。同樣，當你 delete 一個對象的時候兩個動作是：先調(diào)用FOO::~FOO()?析構掉對象，再調(diào)用::operator delete將對象所處的內(nèi)存釋放。為了精密分工，STL 將allocator決定將這兩個階段分開。分別用 4 個函數(shù)來實現(xiàn)：

　　1.內(nèi)存的配置：alloc::allocate();

　　2.對象的構造：::construct();

　　3.對象的析構：::destroy();

　　4.內(nèi)存的釋放：alloc::deallocate();

　　其中的?construct() 和?destroy()定義在 STL的庫文件中，源代碼如下：

1 template <class T> 2 inline void destroy(T* pointer) { 3 pointer->~T(); //只是做了一層包裝，將指針所指的對象析構---通過直接調(diào)用類的析構函數(shù) 4 } 5 6 template <class T1, class T2> 7 inline void construct(T1* p, const T2& value) { 8 new (p) T1(value); //用placement new在 p 所指的對象上創(chuàng)建一個對象，value是初始化對象的值。 9 } 10 11 template <class ForwardIterator> //destory的泛化版，接受兩個迭代器為參數(shù) 12 inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) { 13 __destroy(first, last, value_type(first)); //調(diào)用內(nèi)置的 __destory(),value_type()萃取迭代器所指元素的型別 14 } 15 16 template <class ForwardIterator, class T> 17 inline void __destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) { 18 typedef typename __type_traits<T>::has_trivial_destructor trivial_destructor; 19 __destroy_aux(first, last, trivial_destructor()); //trival_destructor()相當于用來判斷迭代器所指型別是否有 trival destructor 20 } 21 22 23 template <class ForwardIterator> 24 inline void //如果無 trival destructor ，那就要調(diào)用destroy()函數(shù)對兩個迭代器之間的對象元素進行一個個析構 25 __destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __false_type) { 26 for ( ; first < last; ++first) 27 destroy(&*first); 28 } 29 30 template <class ForwardIterator> //如果有 trival destructor ，則什么也不用做。這更省時間 31 inline void __destroy_aux(ForwardIterator, ForwardIterator, __true_type) {} 32 33 inline void destroy(char*, char*) {} //針對 char * 的特化版 34 inline void destroy(wchar_t*, wchar_t*) {} //針對 wchar_t*的特化版

　　看到上面這么多代碼，大家肯定覺得 construct() 和 destroy() 函數(shù)很復雜。其實不然，我們看到construct()函數(shù)只有幾行代碼。而 destroy() 稍微多點。但是這么做都是為了提高銷毀對象時的效率。為什么要判斷迭代器所指型別是否有 trival destructor，然后分別調(diào)用不同的執(zhí)行函數(shù)？因為當你要銷毀的對象很多的時候，而這樣對象的型別的destructor 都是 trival 的。如果都是用__destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __false_type)來進行銷毀的話很費時間，因為沒必要那樣做。而當你對象的destructor 都是 non-trival 的時候，你又必須要用__destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __false_type)來析構。所以，我們要判斷出對象型別的destructor 是否為 trival，然后調(diào)用不同的__destroy_aux。

　　說完 construct() 和 destory() ，我們來說說?alloc::allocate() 和?alloc::deallocate()，其源代碼在 <stl_alloc.h>中。stl_alloc.h中代碼設計的原則如下：

　　1.向 system heap 要求空間

　　2.考慮多線程狀態(tài)

　　3.考慮內(nèi)存不足時的應變措施

　　4.考慮過多“小型區(qū)塊”可能造成的內(nèi)存碎片問題。

　　stl_alloc.h中的代碼相當復雜，不過沒關系。我們今天只看其中的allocate() 和 deallocate()。在講這兩個函數(shù)之前，我們還必須來了解一下SGI? STL(SGI限定詞是STL的一個版本，因為真正的STL有很多不同公司實現(xiàn)的版本，我們所討論的都是SGI版本) 配置器的工作原理：

　　考慮到小型區(qū)塊可能造成內(nèi)存破碎問題(即形成內(nèi)存碎片)，SGI STL 設計了雙層級配置器。第一層配置器直接使用malloc() 和 free().第二層配置器則視情況采用不同的策略：但配置區(qū)塊超過 128 bytes時，調(diào)用第一級配置器。當配置區(qū)塊小于 128 bytes時，采用復雜的 memory pool 方式。下面我們分別簡單的介紹一下第一級和第二級配置器：

第一級配置器 _ _malloc_alloc_template：

　　由于第一級配置器的配置方法比較簡單，代碼也容易理解，我在這里全部貼出：

1 //以下是第第一級配置器 2 template <int inst> 3 class __malloc_alloc_template { 4 5 private: 6 7 //以下函數(shù)用來處理內(nèi)存不足的情況 8 static void *oom_malloc(size_t); 9 10 static void *oom_realloc(void *, size_t); 11 12 static void (* __malloc_alloc_oom_handler)(); 13 14 public: 15 16 static void * allocate(size_t n) 17 { 18 void *result = malloc(n); //第一級配置器，直接使用malloc() 19 //如果內(nèi)存不足，則調(diào)用內(nèi)存不足處理函數(shù)oom_alloc()來申請內(nèi)存 20 if (0 == result) result = oom_malloc(n); 21 return result; 22 } 23 24 static void deallocate(void *p, size_t /* n */) 25 { 26 free(p); //第一級配置器直接使用 free() 27 } 28 29 static void * reallocate(void *p, size_t /* old_sz */, size_t new_sz) 30 { 31 void * result = realloc(p, new_sz); //第一級配置器直接使用realloc() 32 //當內(nèi)存不足時，則調(diào)用內(nèi)存不足處理函數(shù)oom_realloc()來申請內(nèi)存 33 if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz); 34 return result; 35 } 36 37 //設置自定義的out-of-memory handle就像set_new_handle()函數(shù) 38 static void (* set_malloc_handler(void (*f)()))() 39 { 40 void (* old)() = __malloc_alloc_oom_handler; 41 __malloc_alloc_oom_handler = f; 42 return(old); 43 } 44 }; 45 46 template <int inst>　　　　 47 void (* __malloc_alloc_template<inst>::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0;　　//內(nèi)存處理函數(shù)指針為空，等待客戶端賦值 48 49 template <int inst> 50 void * __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n) 51 { 52 void (* my_malloc_handler)(); 53 void *result; 54 55 for (;;) { //死循環(huán) 56 my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler; //設定自己的oom(out of memory)處理函數(shù) 57 if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; } //如果沒有設定自己的oom處理函數(shù)，毫不客氣的拋出異常 58 (*my_malloc_handler)(); //設定了就調(diào)用oom處理函數(shù) 59 result = malloc(n); //再次嘗試申請 60 if (result) return(result); 61 } 62 } 63 64 template <int inst> 65 void * __malloc_alloc_template<inst>::oom_realloc(void *p, size_t n) 66 { 67 void (* my_malloc_handler)(); 68 void *result; 69 70 for (;;) { 71 my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler; 72 if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; } //如果自己沒有定義oom處理函數(shù)，則編譯器毫不客氣的拋出異常 73 (*my_malloc_handler)(); //執(zhí)行自定義的oom處理函數(shù) 74 result = realloc(p, n); //重新分配空間 75 if (result) return(result); //如果分配到了，返回指向內(nèi)存的指針 76 } 77 }

　　上面代碼看似繁雜，其實流程是這樣的：

　　1.我們通過allocate()申請內(nèi)存，通過deallocate()來釋放內(nèi)存，通過reallocate()重新分配內(nèi)存。

　　2.當allocate()或reallocate()分配內(nèi)存不足時會調(diào)用oom_malloc()或oom_remalloc()來處理。

　　3.當oom_malloc() 或 oom_remalloc()還是沒能分配到申請的內(nèi)存時，會轉(zhuǎn)如下兩步中的一步：

　　　　a).調(diào)用用戶自定義的內(nèi)存分配不足處理函數(shù)(這個函數(shù)通過set_malloc_handler() 來設定)，然后繼續(xù)申請內(nèi)存！

　　　　b).如果用戶未定義內(nèi)存分配不足處理函數(shù)，程序就會拋出bad_alloc異常或利用exit(1)終止程序。

　　看完這個流程，再看看上面的代碼就會容易理解多了！

第二級配置器 _ _default_alloc_template：

　　第二級配置器的代碼很多，這里我們只貼出其中的 allocate() 和 dellocate()函數(shù)的實現(xiàn)和工作流程(參考侯捷先生的《STL源碼剖析》)，而在看函數(shù)實現(xiàn)代碼之前，我大致的描述一下第二層配置器配置內(nèi)存的機制。

　　我們之前說過，當申請的內(nèi)存大于 128 bytes時就調(diào)用第一層配置器。當申請的內(nèi)存小于 128bytes時才會調(diào)用第二層配置器。第二層配置器如何維護128bytes一下內(nèi)存的配置呢？ SGI 第二層配置器定義了一個 free-lists,這個free-list是一個數(shù)組，如下圖：

　　

　　這數(shù)組的元素都是指針，用來指向16個鏈表的表頭。這16個鏈表上面掛的都是可以用的內(nèi)存塊。只是不同鏈表中元素的內(nèi)存塊大小不一樣，16個鏈表上分別掛著大小為

　　 8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128 bytes的小額區(qū)塊，圖如下：

　　?

　　就是這樣，現(xiàn)在我們來看allocate()代碼：

static void * allocate(size_t n){obj * __VOLATILE * my_free_list;obj * __RESTRICT result;//要申請的空間大于128bytes就調(diào)用第一級配置if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {return(malloc_alloc::allocate(n));}//尋找 16 個free lists中恰當?shù)囊粋€my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);result = *my_free_list;if (result == 0) {//沒找到可用的free list，準備新填充free listvoid *r = refill(ROUND_UP(n));return r;}*my_free_list = result -> free_list_link;return (result);};

　　其中有兩個函數(shù)我來提一下，一個是ROUND_UP()，這個是將要申請的內(nèi)存字節(jié)數(shù)上調(diào)為8的倍數(shù)。因為我們free-lists中掛的內(nèi)存塊大小都是8的倍數(shù)嘛，這樣才知道應該去找哪一個鏈表。另一個就是refill()。這個是在沒找到可用的free list的時候調(diào)用，準備填充free lists.意思是：參考上圖，假設我現(xiàn)在要申請大小為 56bytes 的內(nèi)存空間，那么就會到free lists 的第 7 個元素所指的鏈表上去找。如果此時 #7元素所指的鏈表為空怎么辦？這個時候就要調(diào)用refill()函數(shù)向內(nèi)存池申請N(一般為20個)個大小為56bytes的內(nèi)存區(qū)塊，然后掛到 #7 所指的鏈表上。這樣，申請者就可以得到內(nèi)存塊了。當然，這里為了避免復雜，誤導讀者我就不討論refill()函數(shù)了。allocate()過程圖如下：

　　

　　學過鏈表的操作的人不難理解上圖，我就不再講解。下面看deallocate()，代碼如下：

1 static void deallocate(void *p, size_t n) 2 { 3 obj *q = (obj *)p; 4 obj * __VOLATILE * my_free_list; 5 6 //如果要釋放的字節(jié)數(shù)大于128，則調(diào)第一級配置器 7 if (n > (size_t) __MAX_BYTES) { 8 malloc_alloc::deallocate(p, n); 9 return; 10 } 11 //尋找對應的位置 12 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); 13 //以下兩步將待釋放的塊加到鏈表上 14 q -> free_list_link = *my_free_list; 15 *my_free_list = q; 16 }

　　deallocate()函數(shù)釋放內(nèi)存的步驟如下圖：

　　其實這就是一個鏈表的插入操作，也很簡單。不再贅述！上面忘了給鏈表結(jié)點的結(jié)構體定義了，如下：

union obj{union obj * free_list_link;char client_date[1]; };

　　至此，SGI STL的對象的構造與析構、內(nèi)存的分配與釋放就介紹完畢了。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的浅析STL allocator的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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