STL之内存分配器

STL提供了很多泛型容器，如vector，list和map。程序员在使用这些容器时只需关心何时往容器内塞对象，而不用关心如何管理内存，需要用多少内存，这些STL容器极大地方便了C++程序的编写。

例如可以通过以下语句创建一个vector，它实际上是一个按需增长的动态数组，其每个元素的类型为int整型：

stl::vector<int> array;

拥有这样一个动态数组后，用户只需要调用push_back方法往里面添加对象，而不需要考虑需要多少内存。vector会根据需要自动增长内存，在array退出其作用域时也会自动销毁占有的内存，这些对于用户来说是透明的， stl容器巧妙的避开了繁琐且易出错的内存管理工作。

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隐藏在这些容器后的内存管理工作是通过STL提供的一个默认的allocator实现的。当然，用户也可以定制自己的allocator，只要实现allocator模板所定义的接口方法即可， 然后通过将自定义的allocator作为模板参数传递给STL容器，创建一个使用自定义allocator的STL容器对象，如：

stl::vector<int, UserDefinedAllocator> array;

大多数情况下，STL默认的allocator就已经足够了。这个allocator是一个由两级分配器构成的内存管理器。

• 当申请的内存大小大于128byte时，就启动第一级分配器通过malloc直接向系统的堆空间分配

• 如果申请的内存大小小于128byte时，就启动第二级分配器，从一个预先分配好的内存池中取一块内存交付给用户，这个内存池由16个不同大小（8的倍数，8~128byte）的空闲列表组成， allocator会根据申请内存的大小（将这个大小round up成8的倍数）从对应的空闲块列表取表头块给用户

这样做的优点

• 小对象的快速分配。小对象是从内存池分配的，这个内存池是系统调用一次malloc分配一块足够大的区域给程序备用，当内存池耗尽时再向系统申请一块新的区域，整个过程类似于批发和零售，起先是由allocator向总经商批发一定量的货物，然后零售给用户，与每次都总经商要一个货物再零售给用户的过程相比，显然是快捷了。当然，这里的一个问题时，内存池会带来一些内存的浪费，比如当只需分配一个小对象时，为了这个小对象可能要申请一大块的内存池，但这个浪费还是值得的，况且这种情况在实际应用中也并不多见。

• 避免了内存碎片的生成。程序中的小对象的分配极易造成内存碎片，给操作系统的内存管理带来了很大压力，系统中碎片的增多不但会影响内存分配的速度，而且会极大地降低内存的利用率。以内存池组织小对象的内存，从系统的角度看，只是一大块内存池，看不到小对象内存的分配和释放。

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实现时，allocator需要维护一个存储16个空闲块列表表头的数组free_list，数组元素i是一个指向块大小为8*(i+1)字节的空闲块列表的表头，一个指向内存池起始地址的指针start_free和一个指向结束地址的指针end_free。空闲块列表节点的结构如下：

union obj { 
    union obj *free_list_link; 
    char client_data[1]; 
};

这个结构可以看做是从一个内存块中抠出4个字节大小来，当这个内存块空闲时，它存储了下个空闲块，当这个内存块交付给用户时，它存储的时用户的数据。因此，allocator中的空闲块链表可以表示成：obj* free_list[16];

图中的链表的每个节点是分开的，这是为了易于理解，真实情况是每个节点都是紧挨着的，因为每次分配一大块内存（用malloc），然后按固定大小切分，并且用指针将它们连接起来。图中只画了7个链表，真实情况是16个链表，各自管理着大小为8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,128字节的区块。当需要的内存大小与这16个大小不匹配那么就向上舍入至最接近的大小。

Allocator分配算法


重新填充算法


块分配算法


假设这样一个场景，free_list[2]已经指向了大小为24字节的空闲块链表，如图1所示，当用户向allocator申请21字节大小的内存块时，allocaotr会首先检查free_list[2]并将free_list[2]所指的内存块分配给用户，然后将表头指向下一个可用的空闲块，如图2所示。注意，当内存块在链表上是，前4个字节是用作指向下一个空闲块，当分配给用户时，它是一块普通的内存区。



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转载于:https://www.cnblogs.com/halox/p/STL-zhi-nei-cun-fen-pei-qi.html