从零开始写STL-内存部分-内存分配器allocator
内存分配器是什么？
一般而言，c++的内存分配和释放是这样操作的
class Foo{ //...};
Foo* pf = new Foo;//配置内存，然后建构对象
delete pf; //将对象解构，然后释放内存
其中的 new操作内含两阶段动作：(1)调用::operator new配置内存，(2) 调用Foo::Foo()建构对象内容。delete操作也内含两阶段动作： (1)调用Foo::~Foo()将对象解构，(2)调用::operator delete释放内存。
为了精密分工，STL allocator决定将这两阶段区分开来。内存配置由alloc:allocate()负责，内存释放由alloc::deallocate()负责； 对象建构由::construct()负责，对象析构由::destroy()负责。
题外话 对于new 和 delete
为了避免对后面析构函数 和 内存回收的部分产生一些基本疑问，对new 和 delete做一些总结
- new 的调用过程
new -> operator new -> malloc -> 构造函数- operator new 源码解析
construct 与 destory
//在分配好的内存上调用T1类的构造参数
//T2 应该是能被T1类型的构造参数接收的类型或者可以隐式转换为可接受类型的值
template<class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value)
{
new(p) T1(value);//调用placement new
// 在已经分配好的内存上调用构造函数，不能用delete释放
}
template<class T>
inline void destroy(T* ptr)
{
ptr->~T();//泛型析构
}
allocator 源码分析
可以看到内存的分配是通过alloc函数来进行的，进行指针类型转换之后调用对应的泛型构造和析构函数。
namespace ministl
{
template<class T>
class allocator {
public:
typedef T value_type;
typedef T* pointer;
typedef const T* const_pointer;
typedef T& reference;
typedef const T& const_reference;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
public:
static T *allocate();
static T *allocate(size_t n);
static void deallocate(T *ptr);
static void deallocate(T *ptr, size_t n);
static void construct(T *ptr);
static void construct(T *ptr, const T& value);
static void destroy(T *ptr);
static void destroy(T *first, T *last);
};
template<class T>
T *allocator<T>::allocate() {
return static_cast<T *>(alloc::allocate(sizeof(T)));//指针类型转换
}
template<class T>
T *allocator<T>::allocate(size_t n) {
if (n == 0) return 0;
return static_cast<T *>(alloc::allocate(sizeof(T) * n));
}
template<class T>
void allocator<T>::deallocate(T *ptr) {
alloc::deallocate(static_cast<void *>(ptr), sizeof(T));
}
template<class T>
void allocator<T>::deallocate(T *ptr, size_t n) {
if (n == 0) return;
alloc::deallocate(static_cast<void *>(ptr), sizeof(T)* n);
}
template<class T>
void allocator<T>::construct(T *ptr) {
new(ptr)T();
}
template<class T>
void allocator<T>::construct(T *ptr, const T& value) {
new(ptr)T(value);
}
template<class T>
void allocator<T>::destroy(T *ptr) {
ptr->~T();
}
template<class T>
void allocator<T>::destroy(T *first, T *last) {
for (; first != last; ++first) {
first->~T();
}
}
}
真正的底层内存分配器 Alloc
Alloc的内存分配分为两级，一级是大于128KB的内存块管理，直接通过malloc 和 free来进行，小于128KB的内存管理，是通过维护一个内存池来实现的。
class alloc {
private:
enum EAlign { ALIGN = 8 };//小型区块的上调边界
enum EMaxBytes { MAXBYTES = 128 };//小型区块的上限，超过的区块由malloc分配
enum ENFreeLists { NFREELISTS = (EMaxBytes::MAXBYTES / EAlign::ALIGN) };//free-lists的个数
enum ENObjs { NOBJS = 20 };//每次增加的节点数
private:
//free-lists的节点构造
//节省内存你，既可以用来存储数据也可以用来存储指向下一个节点的指针
union obj {
union obj *next;
char client[1];
};
static obj *free_list[ENFreeLists::NFREELISTS];
private:
static char *start_free;//内存池起始位置
static char *end_free;//内存池结束位置
static size_t heap_size;//
private:
//将bytes上调至8的倍数
static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {
return ((bytes + EAlign::ALIGN - 1) & ~(EAlign::ALIGN - 1));
}
//根据区块大小，决定使用第n号free-list，n从0开始计算
static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
return (((bytes)+EAlign::ALIGN - 1) / EAlign::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
//如果配置nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低
static char *chunk_alloc(size_t size, size_t& nobjs);
public:
static void *allocate(size_t bytes);
static void deallocate(void *ptr, size_t bytes);
static void *reallocate(void *ptr, size_t old_sz, size_t new_sz);
};
静态初始化
char *alloc::start_free = 0;
char *alloc::end_free = 0;
size_t alloc::heap_size = 0;
//是一个链表数组
alloc::obj *alloc::free_list[alloc::ENFreeLists::NFREELISTS] = {
0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
};
allocate 与 deallocate
这一部分是alloc 暴露的外部接口，通过找到当前free_list中第一个满足要求内存块大小的内存，从链表头取出返回，如果是释放内存就重新插到对应链表头上。
注意这里的链表头 表示的是大于多少K的节点 比如大于64却小于512的内存块
void *alloc::allocate(size_t bytes) {
if (bytes > EMaxBytes::MAXBYTES) {
return malloc(bytes);//直接调用malloc
}
size_t index = FREELIST_INDEX(bytes);
obj *list = free_list[index];
if (list) {//此list还有空间给我们
free_list[index] = list->next;
return list;
}
else {//此list没有足够的空间，需要从内存池里面取空间
return refill(ROUND_UP(bytes));
}
}
void alloc::deallocate(void *ptr, size_t bytes) {
if (bytes > EMaxBytes::MAXBYTES) {
free(ptr);
}
else {
size_t index = FREELIST_INDEX(bytes);
obj *node = static_cast<obj *>(ptr);
node->next = free_list[index];
free_list[index] = node;
}
}
void *alloc::reallocate(void *ptr, size_t old_sz, size_t new_sz) {
deallocate(ptr, old_sz);
ptr = allocate(new_sz);
return ptr;
}
内部的内存管理
refill负责对内存池中取出的对象做处理
chunk_alloc 负责从内存池中取出对应大小的内存块
//返回一个大小为n的对象，并且有时候会为适当的free list增加节点
//假设bytes已经上调为8的倍数
void *alloc::refill(size_t bytes) {
size_t nobjs = ENObjs::NOBJS;
//从内存池里取，会改变nobjs的值
char *chunk = chunk_alloc(bytes, nobjs);
obj **my_free_list = 0;
obj *result = 0;
obj *current_obj = 0, *next_obj = 0;
if (nobjs == 1) {//取出的空间只够一个对象使用
return chunk;
}
else {//取出内存块较大 需要进行回收
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes);
result = (obj *)(chunk);
*my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + bytes);
//将取出的多余的空间加入到相应的free list里面去
for (int i = 1;; ++i) {
current_obj = next_obj;
next_obj = (obj *)((char *)next_obj + bytes);
if (nobjs - 1 == i) {
current_obj->next = 0;
break;
}
else {
current_obj->next = next_obj;
}
}
return result;
}
}
//假设bytes已经上调为8的倍数
char *alloc::chunk_alloc(size_t bytes, size_t& nobjs) {
char *result = 0;
size_t total_bytes = bytes * nobjs;
size_t bytes_left = end_free - start_free;
if (bytes_left >= total_bytes) {//内存池剩余空间完全满足需要
result = start_free;
start_free = start_free + total_bytes;
return result;
}
else if (bytes_left >= bytes) {//内存池剩余空间不能完全满足需要，但足够供应一个或以上的区块
nobjs = bytes_left / bytes;
total_bytes = nobjs * bytes;
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}
else {//内存池剩余空间连一个区块的大小都无法提供
size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);
if (bytes_left > 0) {//现有剩余内存加入内存池
obj **my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
((obj *)start_free)->next = *my_free_list;
*my_free_list = (obj *)start_free;
}
start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);
if (!start_free) {
obj **my_free_list = 0, *p = 0;
for (int i = 0; i <= EMaxBytes::MAXBYTES; i += EAlign::ALIGN) {
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
p = *my_free_list;
if (p != 0) {
*my_free_list = p->next;
start_free = (char *)p;
end_free = start_free + i;
return chunk_alloc(bytes, nobjs);
}
}
end_free = 0;
}
heap_size += bytes_to_get;
end_free = start_free + bytes_to_get;
return chunk_alloc(bytes, nobjs);
}
}