c++设计一个简单的空间配置器

本文介绍了一个简单的模板类实现,用于自定义内存分配、构造和销毁操作。该实现包括了内存分配、释放、对象构造及销毁等核心功能,并定义了一系列类型别名以符合标准模板库(STL)中的allocator接口。

#include <iostream>
template<typename T>
inline T* _allocate(unsigned int size,T*){//size
    T *temp=static_cast<T*>(operator new((size_t)size * sizeof(T)));
    if(temp==NULL){
        std::cout<<"out of memory"<<endl;
        exit(1);
    }
    return temp;
}

template<typename T>
inline void _deallocate(T* buffer){
    operator delete(buffer);
}

template<typename T1,typename T2>
inline void _construct(T1 *p,const T2& value){//p指向的分配的内存 value为构造的值
    new(p) T1(value);//在p指向的内存空间创建一个类型为T1的对象 调用T的构造函数接受const T2&类型的value
}

template<typename T>
inline void _destroy(T* ptr){
    ptr->~T();
}

template<typename T>
class myallocator{
puclic:
    typedef T value_type;
    typedef T* pointer;
    typedef const T* const_pointer;
    typedef T& reference;
    typedef const T& const_reference;
    typedef unsigned int size_type;

    template <class U>
    struct rebind{
        typedef allocator<U> other;
    };

    pointer allocate(size_type n,const void* hint=0){
        return _allocate(difference_type(n),(pointer)0);
    }

    void deallocate(pointer buffer){
        _deallocate(buffer);
    }

    void construct(pointer p,const T& value){
        _construct(p,value);
    }

    void destroy(pointer p){
        _destroy(p);
    }

};

<think> 我们正在讨论C++空间配置器,特别是STL中的实现。根据用户提供的引用,我们知道SGI STL一个标准的空间配置器std::allocator,还有一个特殊的std::alloc。同时,引用[2]提到空间配置器的作用是为容器管理内存的申请和回收,而且它对用户是透明的。 用户想要了解C++空间配置器的介绍、使用及原理。因此,我将从以下几个方面进行回答: 1. 空间配置器的作用和设计目的。 2. 两种空间配置器的介绍(std::allocator和SGI的std::alloc)。 3. 空间配置器的原理,包括内存分配和释放,对象构造和析构。 4. 如何使用空间配置器(通常我们不需要显式使用,但也可以了解其用法)。 需要注意的是,用户提供的引用[1]提到了构造和析构的基本工具construct()和destroy(),以及一二级空间配置器。引用[2]则强调了空间配置器STL容器中的幕后角色。 因此,我将组织回答如下: ### C++空间配置器 空间配置器(allocator)是C++标准库中用于管理内存分配的组件,它封装了内存的分配和释放操作,以及对象的构造和析构。在STL中,每个容器都有一个默认的空间配置器,通常我们不需要指定,但也可以自定义。 #### 1. 空间配置器的作用 - 为容器动态分配和释放内存。 - 将内存分配与对象构造分离,将内存释放与对象析构分离。 - 提高内存管理效率,减少内存碎片。 #### 2. 两种空间配置器介绍 ##### a. 标准空间配置器:std::allocator C++标准提供的空间配置器,定义在头文件`<memory>`中。它的实现通常比较简单,直接调用`operator new`和`operator delete`进行内存分配和释放。 使用示例: ```cpp #include <memory> std::allocator<int> alloc; int* p = alloc.allocate(1); // 分配一个int的内存 alloc.construct(p, 10); // 构造对象,初始化为10 alloc.destroy(p); // 析构对象 alloc.deallocate(p, 1); // 释放内存 ``` ##### b. SGI STL空间配置器:std::alloc SGI STL(被广泛用于GCC等编译器)实现了一个更复杂的空间配置器,通常称为`std::alloc`。它采用了两级配置器结构: - 第一级配置器:直接使用`malloc`和`free`处理大块内存。 - 第二级配置器:采用内存池技术管理小块内存,以减少内存碎片和提高分配效率。 #### 3. 空间配置器的原理 空间配置器主要处理两个任务: - 内存的分配与释放(由`allocate`和`deallocate`完成)。 - 对象的构造与析构(由`construct`和`destroy`完成)。 在SGI STL中,对象构造使用`construct()`函数,它使用placement new在已分配的内存上构造对象;对象析构使用`destroy()`函数,它调用对象的析构函数。 内存分配方面,SGI的两级配置器工作流程如下: - 当请求的内存大于128字节时,使用第一级配置器(直接调用`malloc`和`free`)。 - 当请求的内存小于等于128字节时,使用第二级配置器。第二级配置器维护一个自由链表数组,每个链表管理特定大小的内存块(通常是8的倍数,从8到128字节)。当分配内存时,从相应的链表中取出一个内存块;如果链表为空,则从内存池中取出一批内存块加入链表。释放内存时,将内存块归还到链表。 #### 4. 使用空间配置器 通常,我们在使用STL容器时已经隐式使用了空间配置器。例如: ```cpp std::vector<int> v; // 使用默认的allocator ``` 如果需要,我们也可以显式指定空间配置器: ```cpp std::vector<int, std::allocator<int>> v; ``` 对于SGI的特殊配置器,通常不直接使用,因为它不是标准的一部分。 ### 总结 空间配置器STL中负责内存管理的组件,它通过封装内存分配和对象构造,使得STL容器可以高效、灵活地管理内存。SGI STL中的二级空间配置器通过内存池技术优化了小内存块的分配,提高了效率并减少了内存碎片。 §§相关问题§§ 1. 如何在自定义类型中使用空间配置器? 2. 空间配置器在哪些场景下可以提升性能? 3. 如何自己实现一个空间配置器? 4. SGI STL的二级空间配置器是如何避免内存碎片的? </think> ### C++空间配置器介绍、使用及原理 #### 一、基本概念 空间配置器(Allocator)是STL的核心组件之一,负责为容器(如`vector`、`list`等)管理内存的分配与回收。它在用户无感知的情况下工作,主要作用包括: - **内存分配**:替代`new`操作符,按需分配内存 - **对象构造**:在已分配内存上构造对象 - **对象析构**:销毁对象但保留内存 - **内存回收**:释放不再需要的内存块 默认空间配置器为`std::allocator`[^1][^2]。 #### 二、工作原理(以SGI STL为例) ##### 1. 两级配置器结构 ```mermaid graph TD A[内存请求] -->|>128字节| B[一级空间配置器] A -->|≤128字节| C[二级空间配置器] B --> D[直接调用malloc/free] C --> E[内存池+自由链表] ``` ##### 2. 核心组件 - **构造/析构工具**: - `construct()`:使用`placement new`构造对象 `template <class T1, class T2> void construct(T1* p, const T2& value)` - `destroy()`:调用析构函数 `template <class T> void destroy(T* pointer)` - **内存管理**: ```cpp // 一级配置器(大内存) void* allocate(size_t n) { void* result = malloc(n); // 直接分配 if (0 == result) result = oom_malloc(n); // 内存不足处理 return result; } // 二级配置器(小内存) void* allocate(size_t n) { obj* volatile* my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); obj* result = *my_free_list; if (result == 0) { // 自由链表为空 return refill(ROUND_UP(n)); // 重新填充 } *my_free_list = result->next; // 调整链表 return result; } ``` ##### 3. 内存池优化 - **自由链表设计**:维护16个链表(8~128字节区间) - **内存碎片处理**: - 每次分配20个区块(减少系统调用) - 剩余内存挂载到对应链表 ```cpp void refill(size_t n) { int nobjs = 20; char* chunk = chunk_alloc(n, nobjs); // 从内存池取区块 if (nobjs == 1) return chunk; // 只获得一个区块 // 将多余区块加入自由链表 obj* volatile* my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); obj* result = (obj*)chunk; *my_free_list = next_obj = (obj*)(chunk + n); // ...构建链表结构 return result; } ``` #### 三、使用方式 ##### 1. 显式使用allocator ```cpp #include <memory> std::allocator<int> alloc; // 创建配置器实例 // 内存分配与对象构造 int* p = alloc.allocate(5); // 分配5个int空间 alloc.construct(p, 10); // 构造对象(p[0]=10) // 对象析构与内存释放 alloc.destroy(p); // 析构对象 alloc.deallocate(p, 5); // 释放内存 ``` ##### 2. 容器中隐式使用 ```cpp std::vector<int, std::allocator<int>> v; // 等价于 std::vector<int> v.push_back(42); // 自动调用allocator分配内存 ``` #### 四、性能优势 1. **内存碎片优化**:二级配置器减少小内存碎片 2. **效率提升**: - 自由链表实现$O(1)$时间分配 - 内存池预分配降低系统调用开销 3. **扩展性**:可通过自定义配置器实现特殊内存管理 ```cpp template <typename T> class CustomAllocator { /* 实现allocate/deallocate接口 */ }; std::list<int, CustomAllocator<int>> customList; ``` #### 五、典型应用场景 1. 高频次小对象分配(如节点式容器) 2. 需要固定内存池的实时系统 3. 共享内存管理 4. 内存泄漏敏感场景 > 现代C++中可通过`std::allocator_traits`访问配置器接口,提供更统一的抽象[^2]。
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