【C++】STL 之空间配置器 | STL 总结

最新推荐文章于 2025-04-20 13:47:02 发布

小wanga

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 开发语言

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文章目录

👉什么是空间配置器👈
👉为什么需要空间配置器👈
👉SGI-STL 空间配置器实现原理👈
- 一级空间配置器
- 二级空间配置器
👉空间配置器的优势👈
- malloc 和内存池的对比
👉空间配置器与容器结合👈

👉什么是空间配置器👈

空间配置器，顾名思义就是为各个容器高效的管理空间（空间的申请与回收）的，在默默地工作。虽然在常规使用STL时，可能用不到它，但站在学习研究的角度，学习它的实现原理对我们有很大的帮助。注：空间配置器是内存池。
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直接向堆区申请内存的有 Windows 下的 VirtualAlloc 和 Linux 下的 brk，这个一般不符合我们的需求。而 malloc 是向堆区申请内存的函数，也本质是一个内存池，可用于整个程序的内存管理。STL 的空间配置器也是内存池，其是专门服务 STL 容器的内存管理，以提高效率。

👉为什么需要空间配置器👈

前面在模拟实现 vector、list、map、unordered_map 等容器时，所有需要空间的地方都是通过 new 申请的，虽然代码可以正常运行，但是有以下不足之处：

空间申请与释放需要用户自己管理，容易造成内存泄漏
频繁向系统申请小块内存块，容易造成内存碎片
频繁向系统申请小块内存，影响程序运行效率
直接使用 malloc 与 new 进行申请，每块空间前有额外空间浪费
申请空间失败怎么应对
代码结构比较混乱，代码复用率不高
未考虑线程安全问题

👉SGI-STL 空间配置器实现原理👈

以上提到的几点不足之处，最主要还是：**频繁向系统申请小块内存造成的。**那什么才算是小块内存？SGI-STL 以 128 字节作为小块内存与大块内存的分界线，将空间配置器其分为两级结构，一级空间配置器处理大块内存，二级空间配置器处理小块内存。
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一级空间配置器

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二级空间配置器

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如果申请的内存字节数小于 128 时，就走二级空间配置器。首先，看看该大小的内存对应的桶中有没有内存，如果有就直接返回；如果没有，就去调用 malloc 申请大块内存，并将大块内存切分成小块内存头插到对应的桶中。如果多次申请该大小的内存时，就能够提高效率了。

free_list 的桶和哈希桶的区别：哈希桶挂的是节点，这些节点都是一样的；free_list 的桶挂的是内存，不同的桶挂的内存大小是不一样的。因为一个指针是4个字节或 8 个字节，而我们只需要让内存的头 4 个或 8 个字节指向下一个内存的地址，最后一块内存的头 4 个或 8 个内存指向空。
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假设现在要申请 40 个字节，发现桶没有，就去看大块内存够不够 40 个字节。假设没有且再去用 malloc 申请大块内存也失败了，这时候就会去看后面的桶有没有比 40 大的内存，如果有，就将该内存切分成 40 大小的内存和更小的内存，并将该内存挂在对应的桶上。如果还是没有，那么就抛异常。
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STL 的空间配置器是专门服务容器的，假设 list 的一个节点大小为 12 个字节，set 的一个节点为 16 字节。假设 list 尾插了 15 次，那么它就使用了 15 个 16 字节大小的内存（大块内存可以被切分成 20 个所需空间的小内存）。那么现在还是剩下 5 个 16 字节大小的内存，此时 set 开始 insert，那么这 5 个内存就可以被 set 使用。假设 set insert 3 次后，list 析构了并将其内存挂回了 free_list 的桶上，那么这些内存也就可以被 set 所使用。这也是空间配置器提高效率的做法。

一个进程里面应该只有一个空间配置器，所以空间配置器可以设计成单例模式的类。SGI 的 STL 空间配置器是通过静态成员来间接实现单例模式的。

👉空间配置器的优势👈

频繁申请小块内存时，效率高（memory 头文件中的 allocator 就是 STL 的空间配置器，可以和 malloc 进行效率对比）。
一定程度上缓解了内存碎片的问题，内存碎片分为外碎片和内碎片

外碎片问题是由频繁向系统申请小块内存造成的。频繁向系统小块内存会造成有足够的内存，但是不连续，无法申请大块的内存。
内碎片问题是实际申请到的内存多于所需的内存，而多出来的内存用户也无法使用。内存块按一定的对齐规则挂起来管理，就会导致内碎片问题。比如：list 的一个节点需要 12 个字节，系统给了用户 16 个字节，多出来的 4 个字节用户也无法使用。内存池一般都会有内碎片问题，内碎片问题不是很严重。

malloc 和内存池的对比

注：以下实现的定长内存池是高并发内存池项目中的组件，以后会详细讲解！定长内存池的空间是不释放的，因为大块内存已经被切分了好多次，无法正确释放。但是只要进程是正常结束的，也不要造成内存泄漏问题。进程正常结束，操作系统会回收内存。
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// ObjectPool是针对某一类对象的定长内存池
#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <time.h>
// 工程项目中不要将std整个命名空间展开,避免命名污染
using std::cout;
using std::endl;

// 操作系统的控制,如果是Windows系统则包含windows