c++ STL（六 空間配置器、內存配置器）

1、概述

以STL運用的角度而言，空間配置器是最不需要介紹的，它總是藏在一切組件的背后，默默工作。整個STL的操作對象都存放在容器之中（vertor、list），而容器一定需要配置空間以放置資料，這就是空間配置器的作用。

雖然STL提供了讓我們自定義空間配置器的接口，但是不建議自己定義，因為標准提供的空間配置器是安全的，且效率也不錯的。所以我們使用時，一般都會使用默認的配置器。如下：

template <class T, class Alloc = allocator<T> >
class vector {};

vect<int> vec;	//這里只傳入int類型，使用默認的空間配置器

下面的空間配置器是按照SGI 版本的STL進行講解的，但是STL的原理是通的。

2、空間配置器的內存分配和釋放

通過前面整理C++ new和delete的詳解，我們知道C++內存配置操作和釋放操作是這樣的：

class Foo {...};
Foo* pf = new Foo;	//配置內存，然后構造對象
delete pf;			//將對象析構，然后釋放內存

這其中的 new 內含兩個階段操作：1、調用operator new 配置內存。2、調用構造函數，構造對象內容
delete也內含兩個階段操作：1、調用析構函數。2、調用operator delete 釋放內存。

為了精密分工，STL 將這兩個階段操作區分開來。內存配置操作由 成員函數 alloccate() 負責，內存釋放由 deallcate() 負責；對象構造由 construct() 負責，對象析構則由 destroy() 負責。

在內存分配的過程中，會有幾個問題需要考慮。
1、小塊內存帶來的內存碎片問題。
2、小塊內存頻繁申請釋放帶來的性能問題。

為了解決這些問題，SGI STL設計了 雙層級配置器，也就是第一級配置器和第二級配置器。第一級配置器直接使用 malloc() 和 free() ，第二級配置器則視情況采用不同的策略：當配置區塊超過128 bytes 時，視之為 “足夠大”，便調用第一級配置器；當配置區塊小於 128 bytes 時，視之為 “過小” ，為了降低額外負擔，便采用復雜的 內存池 管理方式。

3、第一級配置器

第一級配置器的流程如下：

SGI的第一級配置器以 malloc(), free(), realloc() 等C函數執行實際的內存配置、釋放、重配置操作。當 malloc 或者 realloc 調用不成功后，改調用 oom_malloc() 和 oom_realloc() 。后兩者都有內循環，不斷調用“內存不足處理例程”，期望在某次調用之后，獲得足夠的內存。但如果“內存不足處理例程”未被客戶端設定，則直接拋出 bad_alloc 異常，或者終止程序。

注意：設計內存不足處理例程是客戶端的責任，設定內存不足處理例程也是客戶端的責任。

4、第二級配置器

二級配置器使用內存池+自由鏈表的形式避免了小塊內存帶來的碎片化，提高了分配的效率，提高了利用率。它是用一個16個元素的自由鏈表（free_list）來管理的，每個位置的內存大小都是8的倍數，分別為：8、16、24、32、40、48、56、64、72、80、88、96、104、112、120、128。

free_list的節點結構如下：

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

使用union是為了節省內存，這樣每個節點就不需要額外的指針。

內存池與自由數組 free_list 之間的關系如下圖所示：
其中free_list的第一個元素指向 8個字節的空間，8個字節的空間我給分配了10個。free_list的最后一個元素指向128個字節的空間，此空間我給分配了4個。

free_list管理的是內存池中已經分配給 free_list 且尚未使用的內存，如果系統想從free_list中拿一8字節內存，則直接從free_list[0]中彈出頂部第一個元素，然后頂部后移。

4.1、二級配置器內存分配

主要分為四種情況：
1、free_list列表中有空余內存。如果申請3個字節的內存，則所需空間大小提升為8的倍數，然后去 free_list 中查找相應的鏈表，如果 free_list[i] 不為空，則返回第一個元素，然后把頭指針往后移。

2、free_list 列表中沒有空余，但內存池不為空。首先檢驗內存池中的大小是不是比申請的內存大，比如申請20*8的內存，如果足夠，則分配相應內存，將其中一個分配給用戶使用，其它的掛在相應的 free_list 中。如果內存池不夠大，只夠幾個內存分配，則就分配這幾個，把相應的數據返回。如果連一個都不夠則執行第三中情況。

3、free_list列表中沒有空余，內存池也不夠。調用malloc重新分配內存，分配時會多分配一倍的內存，把相應的內存掛到free_list下，剩余的放到內存池中。

4、free_list列表中沒有空余，內存池也不夠，malloc也失敗。則調用一級空間配置器，里面會有循環處理，或者拋出異常。

4.2、二級配置器內存回收

當用戶從二級空間配置器中申請的內存被釋放時，二級空間配置器將回收的內存插入到對應的 free_list 中。其流程如下：

4.4、總結

我們知道，引入相對復雜的空間配置器，主要源自兩點：

1、頻繁使用malloc、free開辟釋放小塊內存帶來的性能效率的低下
2、內存碎片問題，導致不連續內存不可用的浪費

引入兩層配置器幫我們解決了以上的問題，但是也帶來一些問題：

1、內存碎片的問題，自由鏈表所掛區塊都是8的整數倍，因此當我們需要非8倍數的區塊，往往會導致浪費。
2、我們並沒有釋放內存池中的區塊。釋放需要到程序結束之后。這樣子會導致自由鏈表一直占用內存，其它進程使用不了。

 

 

STL下的空間配置器分位兩級，他們沒有高低之分，只有一個條件，當用戶所需要的的內存大小：

1.大於128字節時，交給一級配置器處理

2.小於等於128字節時，交給二級配置器處理

 

一級配置器的實現思想：實際就是對c下的malloc,relloc,free進行了封裝，並且在其中加入了c++的異常。

我們要了解對於當內存不足調用失敗后，內存不足處理是用戶需要解決的問題，STL不處理，只是在你沒有內存不足處理方法或有但是調用失敗后拋出異常。

 

 

二級配置器的實現思想：

二級配置器是通過內存池和空閑鏈表配合起來的一個特別精巧的思想。

空閑鏈表：它每個節點分別維護8,16,32.。。。128字節以8的倍數的各內存大小。

它是這樣做的，首先，用戶申請內存小於128個字節，進入二級配置器程序，假如第一次用戶申請內存為32字節，程序直接調用S_chunk_alloc,直接申請40個大小的32字節空間，一個交給客戶，另外19個交給空閑鏈表，剩下的20個交給內存池。

接下來，第二次申請空間，假設這次用戶需要64字節的空間，首先，程序檢查64字節的空閑鏈表節點是否有空閑空間，如果有，直接分配，如果沒有，就去內存池，然后檢查內存池的大小能分配多少個自己大小的節點，完全滿足，則拿出一個給用戶，剩下的19個給空閑鏈表，如果不夠，盡可能分配內存池的最大個數給用戶和空閑鏈表。如果一個都分配不出，首先把內存池中的剩下沒用的小內存分給相應適合的空閑鏈表，然后繼續調用S_chunk_alloc申請內存，內存申請不足，去檢索空閑鏈表有沒有尚未使用的大的內存塊，如果有，就拿出來給給內存池，遞歸調用S_chunk_alloc，如果空閑鏈表也沒有了，則交給一級適配器（因為其有對內存不足處理的方法）。內存夠，則拿到申請的內存補充內存池。重復上面的操作，將一個給客戶，其他的19個交給空閑鏈表，剩下的給內存池。

 

二級配置器實現了對小內存的高效管理，使內部碎片出現的概率大大降低，個人見解，二級適配器差不多已經達到了對小內存接近完美的處理。