STL空间配置器(一级配置器及二级配置器)

前言

在我们日常使用STL中的容器时,我们是几乎感受不到空间配置器的存在,因为他一直在默默工作,我们在之前的这一篇博客中也大概介绍过:C++(21)——vector及实现自定义vector以及allocator和iterator空间配置器,整个STL的操作对象都存放在容器之后。而容器需要配置空间以放置资料,这也就是空间配置器的作用。

:STL提供了自定义空间配置器的接口,但是不建议自己定义,因为系统提供的空间配置器是足够安全且高效的,所以在我们使用时,一般会使用默认的配置器。

template<class T,class Alloc = allocator<T>>

空间配置器的基本原理

为了精密分工,STL将new和delete分别的两阶段动作分开

  • 内存配置操作由成员函数allocate()负责
  • 内存释放操作由成员函数deallcate()负责。
  • 对象构造操作由成员函数construct()负责
  • 对象析构操作由成员函数destroy()负责
内存分配过程中需要考虑的问题:
  1. 小块内存带来的内存碎片问题
  2. 小块内存频繁申请释放带来的性能问题

解释内存碎片问题是指;单从分配的角度来看。由于频繁分配、释放小块内存容易在堆中造成外碎片(极端情况下就是堆中空闲的内存总量满足一个请求,但是这些空闲的块都不连续,导致任何一个单独的空闲的块都无法满足这个请求)。

为了解决该类问题,STL设计了双层级配置器,也就是第一级配置器和第二级配置器

  • 第一级配置器直接使用malloc和free;

  • 第二级配置器则视情况采用不同的策略:
  • ①当配置区块大于128bytes,将其视作足够大,便调用第一级配置器;
  • ②当配置区块小于128bytes,将其视作过小,为降低额外负担,便采用内存池的管理方式

解释内存池的思想:一次向heap申请一块很大的内存(内存池),如果申请小块内存的话就直接到内存池中去要。这样的话,就能够有效的解决上面所提到的问题。

具体讲解

一级配置器

在这里插入图片描述

SGI(STL的版本)的第一级配置器以mallocfreerealloc等C函数执行实际的内存配置,释放,重配置操作,当malloc或者realloc调用不成功时,改为调用malloc_alloc_oom_malloc或者malloc_alloc_oom_realloc,它俩都有内循环,不断调用,期望在某次调用之后,获得足够的内存,但是如果“内存不足的这个处理例程”未被客户端设定,则直接抛出bad_alloc异常,或者终止程序。

注意—— 设计内存不足处理例程和设定内存不足处理例程都是客户端的责任。

二级配置器

二级配置器使用内存池+自由链表的形式避免了小块内存带来的碎片化,提高了内存分配的效率以及内存利用率


不要忘了前面说的:只有要申请的空间小于128bytes时才会调用二级空间配置器


二级配置器的大致结构

在这里插入图片描述

在图中,我们看到一共有16个free-list,从第一个开始每一个链表管理的区块分别是:8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128字节的小额区块。


free-list结点定义如下:

 union obj {
        union obj* free_list_link;
        char client_data[1];    /* The client sees this.*/
  };

想想union的特性:union节省了内存,这样每个结点就不需要额外的指针。


注意:如果用户申请的内存大小不是8的倍数,二级配置器会将申请的字节数上调至距离用户申请大小的最近的8的倍数处。(这里带来了内碎片问题,和之前谈到的外碎片问题相比,这个问题我们无法避免


问题: 内存块为什么必须要以8位单位呢,把1作为单位不就可以避免这个问题了吗?
——我们的内存块是像链表一样连接起来的,这样就必然需要指针来维护, 32位平台下指针4字节,64位平台下指针8字节,所以内存块最小也要能存放一个指吧,这样就清楚了为什么是8字节。


二级配置器是以内存池管理的,每次从系统中配置一大块内存,并维护与之对应的自由链表free-list

  • 如果用户申请内存,有相同大小的需要就直接从free-list中分配。
  • 如果用户归还内存时,将根据归还内存快的大小,将需要归还的内存插入到对应free-list的最顶端。

场景1:free-list中存在对应的内存块
假设我们申请32bytes空间根据FREELIST_INDEX函数找到对应下标3,即应该在free_list[3]中取区块,而且这时free_list[3]中有内存,我们就将第一个内存块返回给用户,并调整指针指向后面的内存块。
在这里插入图片描述
场景2:free-list中没有对应的内存块

  • 假设我们申请72bytes空间的大小,此时free-list中没有对应的内存块,这时候就需要调动refill函数向内存池申请填充free-list了。
  • 假设内存池中也没有空间,这时候就需要配置heap空间来补充内存池,此时调用了函数chunk_alloc

综合上面的一些情况,我们来做一个总结:

二级配置器的内存分配
  1. free_list列表中有空余内存。如果申请3个字节的内存,则所需空间大小提升为8的倍数,然后去 free_list中查找相应的链表,如果 free_list[i] 不为空,则返回第一个元素,然后把头指针往后移。
  2. free_list列表中没有空余,但内存池不为空。首先检验内存池中的大小是不是比申请的内存大,比如申请20*8的内存,如果足够,则分配相应内存,将其中一个分配给用户使用,其它的挂在相应的free_list 中。如果内存池不够大,只够几个内存分配,则就分配这几个,把相应的数据返回。如果连一个都不够则执行第三中情况。
  3. free_list列表中没有空余,内存池也不够。调用malloc重新分配内存,分配时会多分配一倍的内存,把相应的内存挂到free_list下,剩余的放到内存池中。
  4. free_list列表中没有空余,内存池也不够,malloc也失败。则调用一级空间配置器,里面会有循环处理,或者抛出异常。

总结

  1. 内存碎片的问题,自由链表所挂区块都是8的整数倍,因此当我们需要非8倍数的区块,往往会导致浪费
  2. 我们并没有释放内存池中的区块。释放需要到程序结束之后。这样子会导致自由链表一直占用内存,其它进程使用不了。
<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和二级,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,然后分一级和二级详细说明。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,然后分一级和二级的实现细节,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、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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