STL的空间配置器

这篇博客主要讲一下SGI-STL中的空间配置器的工作流程。我自己实现模仿STL实现了一个空间配置器，并且用两个容器list和vector测试使用了空间配置器。

这里只给出模型，如果要看源码，点击打开链接下载。源码中的注释比较多，也比较全。

下面是工程目录： 

现在介绍一下工程目录：

1. List.h、Vector.h是模仿STL容器中的两个list和vector的接口完成的；
2. Allocate.h里面定义了内存池即空间配置器的两级实现；
3. Construct.h里面主要实现了对象的构造与析构接口；
4. Iterator.h里面有五种迭代器的定义、迭代器萃取、反向迭代器定义、迭代器型别萃取以及两个非常有用的函数 Distance、Advance；
5. TypeTraits.h定义了迭代器所指节点的值类型萃取，是否是POD类型；
6. Uninitialized.h里面是主要是一些拷贝、填充类的函数，这个在Vector中用的比较多；
7. Main.cpp是测试文件，用来测试两个容器的接口和内存池实现正确与否。

下面这幅图主要是空间配置器的框架：

我们对比上面这幅图从下往上讲：

int *pi1 = SimpleAlloc<int, Alloc>::Allocate(100);    // * 申请一个有100个元素的整型数组
int *pi2 = SimpleAlloc<int, Alloc>::Allocate();       // * 申请一个整型

SimpleAlloc<int, Alloc>::Deallocate(pi1, sizeof(int) * 100);
SimpleAlloc<int, Alloc>::Deallocate(pi2);

第一行语句申请了有100个整型元素的数组，那就是申请了 sizeof(int) * 100 == 400个字节的空间。由于400大于128，二级空间配置器会转去找一级空间配置器去申请，二级空间配置器之后就不管申请空间的事了。一级空间配置器直接用malloc向操作系统申请了400字节的空间（能不能申请成功就是另一回事了，在一级空间配置器的代码中其实设置了用户自定义的函数指针，如果malloc失败，就会调用这个函数指针所指的函数，该函数会做一些事，让操作系统收回一些内存，然后会再次malloc，直至成功）。

第二行语句是申请了一个整型的空间，二级空间配置器发现sizeof(int) == 4字节，是小于128字节的，那空间配置器就会在自由链表中找到4字节对应的下标（其实自由链表是没有4字节的内存块的，那就把它定位到足够满足4字节的最小的内存块，即8字节），所以下标定位到0，即在free_list[0]中找内存。 刚开始时，自由链表为空，并没有内存块，那就去找内存池要，要多少呢？要 20*8个字节，这时候发现内存池刚开始也没有内存，这时候就会去找操作系统申请内存，申请了20 * 8 == 160个字节（其实内存池是向操作系统申请了 2 * 160 == 320字节的空间，但是只返回20个对象的大小即160字节给自由链表，剩下的160字节留在了内存池中），就把最开始的8个字节返回给应用程序，剩下的152字节正好够19个整型对象的空间，就把这些空间挂接到自由链表的0号下标下。

第三行是释放申请的400字节，直接由一级空间配置器free掉，还给操作系统；

第四行是释放pi2所指向的8个字节，直接还给自由链表，并不还给操作系统。（其实有二级空间配置器申请的内存释放时都不会还给操作系统，而是还给自由链表，内存池和自由链表的内存都是到程序结束时才归还给操作系统）。

内存池优缺点：

1. 优点 
   对于频繁地申请小块内存，减少了申请的时间。
2. 缺点 
   由于自由链表的内存块大小不连续（8、16、24 …），导致了内部碎片的产生。这使得内存利用率不高。 
   小块内存释放之后，并没有归还给操作系统，而是放到了自由链表中，会导致系统内存越来越少，除非到程序结束，否则内存不会归还给操作系统。