C++内存分配详解五：std::alloc源码剖析

侯捷C++内存分配课程总结五：std::alloc源码剖析

分析C++标准容器分配器的源码
文章内容参照于侯捷 C++内存分配系列教程

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前言

在阅读本文章之前，请确保您以及了解了alloc在内存分配时的动作。这可以参考我之前写过的文章
C++内存分配详解四：std::alloc行为剖析

文章中的源码来自于侯捷C++内存分配教程所提供的文件，注释为我本人结合侯捷的C++课程的理解，如出现错误敬请指正。

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一、std::alloc的两层分配器

std::alloc在源码中共创建了两层分配器：

• 第一级的作用是处理之前说过的，申请超过最大可挂载的内存块容量(128byte)的内存
• 第二级的作用是完成std::alloc对内存的分配。

由于第二级的动作才是我们所关心的，所以我将在下边详细的分析第二级分配器的代码，而第一级分配器的代码我仅会在最后贴出

二、详细分析第二级分配器

代码取自侯捷C++内存分配教程讲义

这里为了方便阅读和分析，侯捷去除了与进程相关的代码，所以我也没有把相关代码加进去

1.类的定义、数据成员和非重点函数

	/*
		第二级分配器
	*/
	enum {
    __ALIGN = 8 };                        //每个链表的间隔
	enum {
    __MAX_BYTES = 128 };                  //维护的最大的内存队列的内存
	enum {
    __NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN }; //链表的个数
	
	template<bool threads, int inst>//这里两个参数与进程相关，在当前问题中没有使用
	class  __default_alloc_template
	{
   
	private:
		static size_t RoundUp(size_t bytes) {
   //调整边界
			return (((bytes)+__ALIGN - 1) &~(__ALIGN - 1));
		}
	private:
		union obj{
   
			union obj* free_list_link;
		};//这里改用struct也行
	private:
		static obj* volatile free_list[__NFREELISTS];//构成内存池的16根链表的头节点
		static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
   //寻找bytes所对应的链表的编号
			return (((bytes)+__ALIGN - 1) / __ALIGN - 1);
		}
		static void *refill(size_t size);//为链表分配内存并分割挂载
		static char *chunk_alloc(size_t size, int &nobjs);//为内存池分配一大块内存
	
		static char *start_free;//pool的开头
		static char *end_free;//pool的结尾
		static size_t heap_size;//累计的分配量
	public:
		static void *allocate(size_t n);//分配内存的主函数
		static void deallocate(void * p, size_t n);//回收内存的主函数
	};
	typedef __default_alloc_template<false, 0>alloc;//宏定义修改名称

我们这里先分析类的数据成员和非主要函数

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数据成员

	//这里声明了一个仅在类内部使用的共用体数据类型
	//这个类型在后边将被作为内存块的指针去使用
	private:
		union obj{
   
			union obj* free_list_link;
		};//这里改用struct也行

源码中之所以用union而不是struct的原因是由于在之前的版本中，这个内存是需要被复用的（这里如果不清楚，可以参考我之前写过的文章：C++内存分配详解三：内存分配模型中Effective C++的实现），而到了新版本，这里的数据部分被取消了，仅用一根指针就可以了。但虽然如此，但是这个结构还是被保存下来了。

	//用前边定义的共用体类型定义了内存池的总链表
	private:
			static obj* volatile free_list[__NFREELISTS];//构成内存池的16根链表的头节点

这里创建了一个长度为16的链表，他的每一个元素都是一根指针，以后将分别指向大小不同的内存块链表，构成总的内存池。这是当容器(或其他函数)需要分配内存时的内存来源。
这里的关键字volatile也是与进程相关的声明，此时分析时可以将他视为不存在。

	//指针成员的定义
	static char *start_free;//pool的开头
	static char *end_free;//pool的结尾
	static size_t heap_size;//累计的分配量

这里的 start_free 和 end_free 分别指向pool的开头和结尾，用这两根指针就可以维护一个pool

当pool减少时，就把start_free下移；当pool修改时，就将两根指针指向的位置修改
注意：pool不会在原来的位置上增加，需要更多的pool内存的时候，会把原来pool中的内存视为内存碎片连接到某一个链表上，然后为pool重新分配。

heap_size用于记录由alloc第二级分配器申请的内存的总大小，也就是现在alloc所可以进行管理的内存的总大小，用于后边计算追加量。

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非主要函数
这里所要分析的非主要函数主要是两个：RoundUp() 和 FREELIST_INDEX()

先来看RoundUp()

	//调整边界
	static size_t RoundUp(size_t bytes) {
   
		return (((bytes)+__ALIGN - 1) &~(__ALIGN - 1));
	}

我给他的注释是调整边界，也就是将传入的大小提升至16的倍数
如：传入的bytes为13，那么 (13+7)&~(7) = 10100 & 11000 = 10000 即16；
这一提升保证了每一次分配出的内存都是16的倍数，也就是说每次pool中剩下的内存碎片总会有一个链表是可以挂载的。

之后是FREELIST_INDEX()

	//寻找bytes所对应的链表的编号
	static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
   
		return (((bytes)+__ALIGN - 1) / __ALI