STL-空间配置器

最新推荐文章于 2025-05-16 17:36:23 发布

Gzmy

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分类专栏： C++

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在学习C++的过程中STL扮演了一个非常重要角色，STL中六大组件，容器，仿函数，迭代器，适配器，算法，空间配置器。我们最容易忽略的就是空间配置器
STL中空间配置器是为了各个容器高效的管理空间，在使用容器中感觉不到他的存在，但是学习他的原理是非常有必要的

为什么需要空间配置器？

在C/C++中程序员要申请空间通过malloc从堆上申请空间，这样频繁操作会有一些大的问题产生

空间的申请与释放都需要程序员自己管理，很容易造成内存泄露
频繁向系统申请空间，容易造成内存碎片
频繁向系统申请小块内存，影响程序效率
使用malloc申请空间，申请的空间有额外的浪费
申请空间失败怎么处理？
基于上面的一些问题，STL就需要一种高效的内存管理机制来管理整个空间，这就是STL空间配置器。

内存碎片

内部碎片
- 所有被分配的内存必须起始于可被4，8或者16（根据处理器决定）整除的的地址处，决定内存分配算法仅仅能把预定大小的内存块分配给用户，比如某一个用户请求大小为43字节的内存块时，因为没有正好合适的内存块，所以它可能会获取到44字节、48字节等稍微大一点的内存空间，这种因为四舍五入而产生的多余空间就是内部碎片
外部碎片
- 频繁的分配与回收物理页面会导致大量的，连续且小的页面夹杂在已经分配的物理页面之中，就会产生外部碎片
- 比如内存中有连续大小为40字节的空间，编号0~39，如果第一次申请10个字节编号0-9，再申请5个字节编号10-14，如果这时将第一块内存释放，再次申请大于10个字节的空间，比如20个字节，因为刚被释放的空间不能满足条件，所以智能从15开始分配出20个字节的内存，如果程序以后都申请的是大于10个字节的空间，那么前10个字节的空间就永远得不到使用，造成内存外部碎片。

空间配置器的实现

这里简述SGI-STL的空间配置器实现。
上述问题的关键之处在于频繁向系统申请小块内存，那怎么才算是小块内存？
SGI-STL以128作为小块内存与大块内存的分界线，将空间配置器分为两级结构，一级空间配置器处理大块内存，二级空间配置器处理小块内存
一级空间配置器
- 一级空间配置器原理非常简单，直接对malloc和free进行了简单封装
- 特别注意的是，如果申请空间不成功，交给oom_malloc处理，检测是否有空间不足应对措施，如果没有就抛异常
二级空间配置器
- 二级空间配置器主要负责处理小于128字节的内存块，要避免上面的那些问题就需要一种可靠的机制来实现，首先我们可以想到事先申请好一块内存，如果用户需要就从内存池中存取，不需要直接去向系统申请。
- 内存池：先申请一块比较大的内存做备用，如果需要内存就去内存池中取，当内存池中的空间不够时，再向内存去取，用户归还时直接还给内存池中即可，避免了向系统频繁申请小空间的效率低，内存碎片以及额外的空间浪费。
- 我们使用begin和finish来标记内存池的起始与终止位置，如果用户需要空间就将begin向后移动，那用户归还的空间放在哪里？肯定不可以将归还空间直接简单拼接在内存池中，那如何管理归还内存？
- 我们想到用链表将没有使用的空间连接起来，如果使用链表进行管理，用户申请空间在查找合适的大小时时间复杂度为O(N)，如果使用哈希桶来实现，查找时间复杂度可以达到O(1)。这样存取的时间复杂度也是极优的
- SGI-STL使用内存池提高申请空间的速度以及减少额外的空间浪费，使用哈希桶提高用户获取空间的速度与高效管理
- 如图，用户只需要将归还的空间直接插入到哈希桶中即可，如果下次还需要申请这么大的空间，直接将哈希桶中的空间返回即可。
- 如果用户申请的空间空间不是8的整数倍，就向上对其到8的整数倍处，这里主要是考虑64位机
```
enum {__ALIGN = 8} // 用户所需内存不是8的整数倍，就向上对其到8的整数倍
enum {__MAX_BYTES = 128} // 大小块内存的分界
enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES/_ALIGN} // 使用哈希桶保存时哈希桶的个数

static size_t ROUND_UP(size_t bytes) { // 向上对其到8的倍数
	return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN-1));
}
	
union obj {
	union obj*  free_list_link;
	char client_data[1];
}; // 使用联合体维护链表结构
// 当一个内存块空闲时，就再一个内存块中使用四个字节强制以这个obj连接到下一个空闲块，
//当内存块交付给用户时，就直接存储用户数据

// 根据用户提供字节数找到对应桶号
static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
	return (((bytes) + __ALIGN-1)/__ALIGN-1);
}

//内存池中大内存的起始终止位置
static char* start_free;
static char* end_free;

//记录空间配置器向系统中索要了多少的内存
static size_t heap_size;
```
- 接下来就是考虑如何管理空间，如果用户申请的空间大于128字节，就交给一级空间配置器来处理，二级空间配置器根据用户输入空间向上取整计算出hash桶号，如果这个哈希桶下面挂有空间，就直接将这块空间返回给用户如果没有挂空间，就向内存池中拿出空间向哈希桶中填充，并将第一块空间返回给用户
- 在向内存池索要空间时，系统会默认有一个参数nobjs(20)，向内存池中申请这么多块，如果内存池中的空间够20块，就将这么多空间返回，如果不够20块但是满足至少可以提供一块，就修改nobjs的值，将这么多先进行返回，如果只能提供一块，就直接将这块返回给用户
- 如果内存池中剩余的空间不够返回一块，就需要重新给内存池中补充空间，先将内存中中剩余的空间挂在哈希桶中，然后使用系统堆向内存池中补充，如果向系统堆申请失败，就从哈希桶中找更大的内存补充，如果还是找不到，就交给一级空间配置器来补充
二级空间配置器的回收
- 二级空间配置器的回收先判断空间大小，如果大于128字节就交给一级空间配置器来挥手，否则就找到对应的哈希桶，将内存直接挂在在哈希桶中
```
static void deallocate(void* p, size_t n) {
	obj* q = (obj*)p;
	obj** my_free_list;

	if(n > (size_t) __MAX_BYTES ) { // 交给一级空间配置器回收
		malloc_alloc::deallocate(p, n);
		return;
	}

	// 找到对应哈希桶, 直接挂在哈希桶中
	my_free_list = free_list + FREEELIST_INDEX(n);
	q->free_list_link = *my_free_list;
	*my_free_list = q;
}
```