STL源码剖析--空间配置器

空间配置器是最不需要介绍的东西，他总是隐藏在容器(container)的背后，默默工作，默默付出。
allocator 之所以说是空间配置器而不是内存配置器，因为空间不一定是内存，也可以是磁盘或者其它辅助存储介质。

空间配置器的标准接口

allocator::allocator()
	default constructor
allocator: :allocator (const allocator&）
	copy constructor
template <class Uallocator:allocato (const allocator<U>&)
	泛化的copy constructor
allocator: :~allocator ()
	destructor
pointer allocator: :address (reference x) const
	返回某个对象的地址。算式a.address(x)等同于&x
const_ pointer allocator: : address (const_ reference x) const
	返回某个const对象的地址。算式a. address(x)等同于&x
pointer allocator: :allocate(size_ type n, cosntvoid* = 0)
	配置空间，足以存储n个T对象。第二参数是个提示，实现上可能会利用它来增进区域性(locality) ，或完全忽略之
void allocator:;deallocate(pointer P, size. _type n)
	归还先前配置的空间
size_ type allocator: max Bize() const
	返回可成功配置的最大量
void allocator: :construct (pointer P, const T&x)
	等同于new((void*) p) T(x)
void allocator::destroy(pointer p) 
	等同于p->~T()

具有次配置力的 SGI 空间配置器

在程序中采用 SGI 配置器:
vector<int,std::alloc> iv; //in GCC
在 SGI 的每一个容器都已经指定其缺省的空间配置器为 alloc

因为SGI中标准的空间配置器,std::allocator 只是对 C++ 中的 ::operator new 和 ::operator delete 做一层薄薄的封装，所以在这里主要了解 SGI 特殊的空间配置器，std::alloc

1.SGI 特殊的空间配置器，std::alloc

一般而言，我们所习惯的C++内存配置操作和释放操作是这样的:

class Foo {...}
Foo* pf = new Foo;	//配置内存，然后构造对象
delete pf;	//将对象析构，然后释放内存。

其中，new算式包含两阶段操作:
(1) 调用 ::operator new 配置内存
(2) 调用 Foo::Foo() 构造对象内容
delete 算式也包含两阶段操作:
(1) 调用 Foo::~Foo() 将对象析构
(2) 调用 ::operator delete 释放内存

内存配置操作由 alloc::allocate() 负责，内存释放操作由 alloc::deallocate() 负责；
对象构造操作由 ::construct() 负责，对象析构操作由 ::destroy() 负责。

2.构造和析构基本工具: construct() 和 destroy()

inline void construct(T1* p,const T2& value){
	new (p) T1(value);	//调用T1::T1(value）
}

inline void destroy(T* pointer){
	pointer->~T();	//调用dtor ~T
}

inline void destroy(ForwardIterator first,ForwardIterator last){
	_destroy(first,last,value_type(first));
}

这两个作为构造、析构之用的函数被设计成全局函数。
上述 construct() 接收一个指针 p 和一个初值 value,该函数的用途就是将初值设定到指针所指的空间上。
destroy() 有两个版本，第一版本接受一个指针，准备将该指针所指之物析构掉；第二版本接受 first,last 两个迭代器，将 [first,last) 范围内的所有对象析构掉。

3.空间的配置与释放，std::alloc

C++ 的内存配置基本操作是 ::operator new() ,内存释放基本操作是 ::operator delete()。相当于C的 malloc() 和 free() 函数。SGI 正是以 malloc() 和 free() 完成内存的配置与释放。

考虑到小型区块所可能造成的内存破碎问题，SGI设计了双层级配置器，第一层配置器直接使用 malloc() 和 free() ，第二级配置器视情况采用不同的策略：当配置区块超过 128bytes时，视之为"足够大",调用第一级配置器；当配置区块小于 128bytes时，视之为"过小"，为了降低额外负担，采用复杂的 memory pool 整理方式(内存池)，而不再求助于第一级配置器。

4.第一级配置器 __malloc_alloc_template 剖析

第一级配置器以 malloc()、free()、realloc() 等 C函数执行实际的内存配置、释放、重配置等操作，并实现出类似C++ new-handler的机制。
C++ new hanlder 机制是，你可以要求系统在内存配置需求无法被满足时，调用一个你所指定的函数。

5.第二级配置器 __default_alloc_template 剖析

第二级配置器多了一些机制，避免太多小额区块造成内存的碎片。小额区块带来的其实不仅是内存碎片，配置时的额外负担也是一个大问题。
SGI 第二级配置器的做法是，如果区块够大，超过 128bytes，就移交第一级配置器处理。当区块小于 128bytes时，则以内存池 memory pool 管理，此法又称为 sub-allocation 次层配置：每次配置一大块内存，并维护对应之自由链表 free list。下次若再有相同大小的内存需求，就直接从 free-lists 中拨出。如果客户端释还小额区块，就由配置器回收到 free-lists中。
SGI第二级配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数(30bytes->32bytes),并维护16个free-lists，各自管理大小分别为8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128bytes的小额区块。

6.内存池

上述的 chunk_ alloc() 函数以 end free 一start free 来判断内存池的水量.如果水量充足，就直接调出20个区块返回给free list.如果水量不足以提供20个区块，但还足够供应一个以上的区块， 就拨出这不足20个区块的空间出去，这时候其pass by reference的nobjs参数将被修改为实际能够供应的区块数、如果内存池连一个区块空间都无法供应，对客端显然无法交待:此时便需利用malloc()从heap 中配置内存，为内存池注人源头活水以应付需求。新水量的大小为需求量的两倍，再加上一个随着配置次数增加而愈来愈大的附加量。

举个例子，见图2-7， 假设程序开始， 客端就调用chunk_ alloc(32,20)，于是malloc()配置40个32bytes区块，其中第1个交出，另19个交给free_ list[3]维护，余20个留给内存池，接下来客端调用chunk_ alloc(64,20), 此时free_ list[7] 空空如也，必须向内存池要求支持。内存池只够供应(32*20)/64=10个64 bytes区块，就把这10个区块返回，第1个交给客端，余9个由free_ list[7]维护。此时内存池全空。接下来再调用chunk alloc(96, 20)，此时free_ list[11]室空如也， 必须向内存池要求支持，而内存池此时也是空的，于是以malloc()配置40+n (附加量)个96 bytes区块，其中第1个交出，另19个交给free_ list1]维护，余20+n (附加量)个区块留给内存池…

万一山穷水尽，整个system heap空间都不够了( 以至无法为内存池注人源头活水) ，malloc() 行动失败，chunk _alloc()就四处寻找有无“尚有未用区块，且区块够大”之free-lists找到了就挖一块交出，找不到就调用第一级配置器。第一级配置器其实也是使用malloc() 来配置内存，但它有out-of-memory处理机制(类似new-handler机制)，或许有机会释放其它的内存拿来此处使用。如果可以，就成功，否则发出badalloc 异常。