STL之内存分配器

本文介绍了STL容器如何简化C++程序的内存管理,重点讲解了STL默认allocator的工作原理,包括两级分配策略及内存池管理,使得小对象能够快速分配并避免内存碎片。

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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。


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。


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];
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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
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重新填充算法
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块分配算法
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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。

屏幕快照 2017-04-22 下午11.09.25


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

<think>好的,我现在需要帮助用户了解如何在C++中实现一个自定义的内存分配器,以便用于STL容器。首先,我得回忆一下STL内存分配器的基本要求和实现步骤。 用户可能知道STL容器默认使用std::allocator,但有时候需要自定义分配器来优化性能或管理特定内存区域。那么,如何创建一个符合STL要求的自定义分配器呢? 首先,我需要明确,自定义分配器需要满足哪些标准。STL分配器需要提供特定的类型定义,比如value_type、pointer等,还需要实现allocate、deallocate、construct、destroy等方法。此外,C++11之后,分配器还需要支持拷贝构造和移动语义,以及提供比较运算符,确保不同实例之间的比较正确。 接下来,我需要确定用户可能需要一个简单的例子。例如,一个使用malloc和free的基础分配器。但要注意,STL分配器的rebind模板成员,允许容器内部为其他类型分配内存,比如链表节点的分配。因此,在实现时必须包含rebind结构。 然后,构造和销毁对象时,需要使用placement new和显式调用析构函数。这可能用户不太熟悉,所以需要解释清楚。另外,C++17之后,construct和destroy方法被弃用,但为了兼容性,可能需要保留。 另外,分配器需要满足可复制和可移动的要求,即使不同实例之间也能正确工作。所以,比较操作符需要返回true,表示不同实例可以相互释放内存。 现在,考虑可能的错误点。比如,在allocate函数中,如果没有正确对齐内存,会导致未定义行为。所以,在使用malloc时,虽然通常已经对齐,但在自定义分配策略时需要特别注意对齐问题。 然后,用户可能想了解如何将这个分配器应用到STL容器中,比如vector或list。这时候,需要提供一个示例,展示如何在模板参数中指定自定义分配器。 最后,相关问题的设计需要围绕实现细节、C++标准要求、性能优化等方面展开。例如,rebind的作用、内存对齐的处理、默认分配器的性能比较,以及状态管理的问题。 总结一下,回答的结构应该包括实现步骤、代码示例、注意事项,以及相关问题。需要确保代码符合C++标准,并且用户能够理解每个部分的作用。</think><< 在C++中实现自定义STL内存分配器需要遵循allocator的接口规范。以下是关键实现步骤和示例代码: 1. 基本模板结构: ```cpp template <typename T> class CustomAllocator { public: using value_type = T; // 必须的类型别名 // 构造函数(可支持不同分配器类型的转换) CustomAllocator() noexcept = default; template <typename U> CustomAllocator(const CustomAllocator<U>&) noexcept {} // 内存分配 T* allocate(std::size_t n) { auto p = static_cast<T*>(std::malloc(n * sizeof(T))); if (!p) throw std::bad_alloc(); return p; } // 内存释放 void deallocate(T* p, std::size_t) noexcept { std::free(p); } // 支持rebind机制 template <typename U> struct rebind { using other = CustomAllocator<U>; }; }; // 必须实现比较运算符 template <typename T, typename U> bool operator==(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&) { return true; } template <typename T, typename U> bool operator!=(const CustomAllocator<T>&, const CustomAllocator<U>&) { return false; } ``` 2. 使用示例: ```cpp // 在STL容器中使用 std::vector<int, CustomAllocator<int>> vec; vec.push_back(42); // 使用自定义分配器链表 std::list<double, CustomAllocator<double>> myList; ``` 实现要点解释: - 类型别名:必须包含value_type等标准类型定义 - 分配/释放:使用malloc/free实现基础内存管理 - rebind机制:允许容器为内部数据结构分配不同类型的内存 - 比较运算符:保证不同特化的分配器实例可以互相操作 - 异常安全:allocate失败时抛出bad_alloc异常 - 无状态设计:保证不同实例行为一致 注意事项: 1. C++17开始construct/destroy成员被弃用,可使用默认实现 2. 内存对齐需符合类型要求(malloc通常保证基本对齐) 3. 可扩展添加内存追踪、池化分配等高级特性 4. 需要处理类型转换和不同实例间的互操作性
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