【STL】空间配置器(二):二级空间配置器

本文详细探讨了SGI STL空间配置器中的二级空间配置器,旨在解决内存碎片和性能问题。二级配置器由内存池和free_list组成,小内存块从内存池分配,大内存块通过一级配置器分配。文章分析了源码,包括free_list结构、内存块调整、内存分配与释放等关键环节,有助于理解STL内存管理机制。

SGI STL一级空间配置器:
http://blog.youkuaiyun.com/bit_clearoff/article/details/53503846

前面我们已经分析过了SGI STL一级空间配置器的实现以及其中的相关机制,今天我们主要来分析一下空间配置器中的重头戏:二级空间配置器。我们先来用图描述一下二级空间配置器的结构:
这里写图片描述

上图是二级空间配置器的基本结构是有一块事先分配好内存的内存池和一个给对象拨内存块的free_list所组成的,为什么要引入内存池而不是直接从操作系统中给free_list分配内存呢?这时为了解决内存碎片和操作系统不断的分配小内存块所存在的性能上的问题,详情大家可以看一下
http://blog.youkuaiyun.com/bit_clearoff/article/details/53503846
这篇文章,这里只简单的提一下内存碎片是由于操作系统调用malloc函数不断地开辟和释放小内存块,然后当要开辟一块大内存块时,上面的小内存块不足以使用,从而是这些小内存块成为了内存碎片。而内存池就可以很好的解决这个问题,当我们开辟小内存块时,就在自由链表中找到合适的内存空间供给对象使用,如果free_list的合适的位置上没有内存空间了,便会从内存池中拨出空间;在SGI STL的二级空间配置器中,默认>128bytes的内存空间为大块内存,这时候会直接调用一级空间配置器去分配大块内存空间。下面我们将会详细的讲下这个过程

SGI STL空间配置器的实现机制

这里写图片描述

二级空间配置器源码分析

我在源码中进行了相关的解读
二级空间配置器的定义

template <bool threads, int inst>
class __default_alloc_template 

free_list的相关参数

# ifndef __SUNPRO_CC
//小型区块的上调边界
//为什么上调至8呢,因为32位系统的指针4bytes
//64位系统下的指针为8bytes这里取最大值
    enum {__ALIGN = 8};
//free_list的区块上限(128bytes)               
    enum {__MAX_BYTES = 128};
//free_list数组中自由链表的个数
    enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES/__ALIGN};
# endif

将要开辟的区块大小上调至8的倍数

 static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {
        return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN - 1));
  }

free_list中的节点结构

 union obj {
 //将节点链起来的指针
        union obj * free_list_link;     
 //这个参数暂不解释
        char client_data[
<think>好的,我现在需要回答用户关于STL空间配置器的使用和实现细节的问题。用户可能已经看过之前的引用内容,但需要更深入的解释。首先,我要明确用户的需求:他们想了解空间配置器的具体使用方式以及实现细节,尤其是内部机制。 根据引用内容,空间配置器分为一级二级,其中一级处理大块内存,直接使用malloc和free,而二级使用内存池和哈希桶管理小块内存。我需要解释这两级配置器的工作原理,以及它们如何协作。同时,用户可能对内存池的实现感兴趣,比如哈希桶的结构,内存块的分配和回收过程。 接下来,我需要考虑如何组织信息。首先介绍空间配置器的作用,然后分一级二级详细说明。可能需要提到SGI-STL的实现,默认使用二级配置器,如何根据申请的内存大小切换级别。还要提到内存池的概念,哈希桶如何管理不同大小的内存块,比如8字节到128字节的倍数。 还要注意实现中的细节,比如空间配置器的效率优化,比如避免内存碎片,快速分配释放等。可能需要提到自由链表(free-list)的结构,每个桶节点如何连接空闲内存块,以及分配和回收时的操作步骤。 另外,用户可能对如何与容器结合使用感兴趣,比如vector或list如何调用空间配置器来分配内存。但引用中没有太多具体容器的例子,可能需要简要提及。 需要确保使用正确的中文术语,并按照用户的要求,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$。不过当前问题主要涉及内存管理机制,可能不需要太多数学公式,但如果有涉及内存分配算法的地方,可能需要用公式表示。 检查引用内容,确保信息准确。例如,引用[3]提到超过128字节使用一级,小于则用二级。引用[4]说明二级使用内存池和哈希桶。引用[5]指出空间配置器为容器高效管理内存。 现在,组织回答的结构:首先概述空间配置器的定义和作用,然后分一级二级的实现细节,接着讨论内存池和哈希桶的设计,最后可能涉及与容器的结合使用。最后生成相关问题。 在写作过程中,要引用对应的引用标记,比如当提到一级配置器时引用[3],提到内存池时引用[4]等。确保回答结构清晰,分点说明,帮助用户逐步理解。 可能需要注意避免技术术语过于晦涩,但用户要求的是实现细节,所以需要一定的技术深度。同时,代码示例可能有助于说明,但引用中没有提供具体代码,可能需要用文字描述流程。 总结:回答应包括一级二级配置器的工作原理、内存池管理、哈希桶结构、内存分配与回收流程,以及如何被STL容器使用。确保引用正确,结构清晰,信息准确。</think>### STL空间配置器的使用与实现细节 STL空间配置器是容器进行内存管理的核心组件,主要解决**内存碎片**和**高频次内存申请**的问题。以下从**使用场景**和**实现原理**两个维度进行解析: --- #### 一、一级空间配置器 1. **适用场景** 当容器申请的内存块**大于128字节**时,直接使用一级空间配置器[^3]。 2. **实现原理** - 基于`malloc()`和`free()`实现,直接调用操作系统API管理内存。 - 提供`new_handler`机制处理内存不足问题:当`malloc()`失败时,尝试释放预留内存或抛出异常[^1]。 ```cpp // 伪代码示例 void* allocate(size_t size) { void* ptr = malloc(size); if (ptr == nullptr) { // 调用new_handler处理异常 throw_bad_alloc(); } return ptr; } ``` --- #### 二级空间配置器(核心实现) 1. **适用场景** 处理**小于等于128字节**的小内存块请求,通过内存池和自由链表(哈希桶)优化性能[^4]。 2. **内存池设计** - **哈希桶结构**:维护16个自由链表(8字节、16字节、...、128字节),每个链表管理特定大小的内存块[^4]。 - **内存块分配**: - 若对应链表有空闲块,直接返回第一个块。 - 若链表为空,从内存池批量申请20个块(可调整),将1个返回用户,剩余19个链入链表[^3]。 - **内存回收**:将释放的内存块重新链入对应链表,避免频繁调用`free()`[^4]。 $$ \text{内存块大小} = 8 \times (n+1) \quad (n \in [0,15]) $$ 3. **关键优化** - **减少内存碎片**:固定大小的内存块避免外部碎片。 - **提升分配速度**:链表操作时间复杂度为$O(1)$。 - **降低系统调用开销**:批量申请内存减少与操作系统的交互次数[^2]。 --- #### 三、空间配置器与容器结合 容器通过`Allocator`模板参数指定空间配置器: ```cpp template <class T, class Allocator = allocator<T>> class vector { // 使用Allocator分配内存 }; ``` - **默认配置**:STL容器默认使用`alloc`(二级空间配置器)[^3]。 - **对象构造/析构**:分离内存分配与对象初始化(`construct()`/`destroy()`)[^5]。 --- #### 四、性能对比 | 场景 | 一级配置器 | 二级配置器 | |-------------------|---------------------|---------------------| | 大内存分配 | 直接高效 | 不适用 | | 小内存高频分配 | 内存碎片严重 | 内存池高效管理 | | 系统调用频率 | 高 | 低 | ---
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