从零开始写STL-内存部分-内存分配器allocator

从零开始写STL-内存部分-内存分配器allocator

内存分配器是什么？

一般而言，c++的内存分配和释放是这样操作的

class Foo{ //...};
Foo* pf = new Foo;//配置内存，然后建构对象
delete pf; //将对象解构，然后释放内存
　　其中的 new操作内含两阶段动作：(1)调用::operator new配置内存，(2) 调用Foo::Foo()建构对象内容。delete操作也内含两阶段动作： (1)调用Foo::~Foo()将对象解构，(2)调用::operator delete释放内存。
　　为了精密分工，STL allocator决定将这两阶段区分开来。内存配置由alloc:allocate()负责，内存释放由alloc::deallocate()负责； 对象建构由::construct()负责，对象析构由::destroy()负责。

题外话 对于new 和 delete

为了避免对后面析构函数 和 内存回收的部分产生一些基本疑问，对new 和 delete做一些总结

• new 的调用过程
  new -> operator new -> malloc -> 构造函数
• operator new 源码解析
  

construct 与 destory

//在分配好的内存上调用T1类的构造参数
//T2 应该是能被T1类型的构造参数接收的类型或者可以隐式转换为可接受类型的值
template<class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value)
{
	new(p) T1(value);//调用placement new 
	// 在已经分配好的内存上调用构造函数，不能用delete释放
}

template<class T>
inline void destroy(T* ptr)
{
	ptr->~T();//泛型析构
}

allocator 源码分析

可以看到内存的分配是通过alloc函数来进行的，进行指针类型转换之后调用对应的泛型构造和析构函数。

namespace ministl
{
	template<class T>
	class allocator {
	public:
		typedef T			value_type;
		typedef T*			pointer;
		typedef const T*	const_pointer;
		typedef T&			reference;
		typedef const T&	const_reference;
		typedef size_t		size_type;
		typedef ptrdiff_t	difference_type;
	public:
		static T *allocate();
		static T *allocate(size_t n);
		static void deallocate(T *ptr);
		static void deallocate(T *ptr, size_t n);

		static void construct(T *ptr);
		static void construct(T *ptr, const T& value);
		static void destroy(T *ptr);
		static void destroy(T *first, T *last);
	};

	template<class T>
	T *allocator<T>::allocate() {
		return static_cast<T *>(alloc::allocate(sizeof(T)));//指针类型转换
	}
	template<class T>
	T *allocator<T>::allocate(size_t n) {
		if (n == 0) return 0;
		return static_cast<T *>(alloc::allocate(sizeof(T) * n));
	}
	template<class T>
	void allocator<T>::deallocate(T *ptr) {
		alloc::deallocate(static_cast<void *>(ptr), sizeof(T));
	}
	template<class T>
	void allocator<T>::deallocate(T *ptr, size_t n) {
		if (n == 0) return;
		alloc::deallocate(static_cast<void *>(ptr), sizeof(T)* n);
	}

	template<class T>
	void allocator<T>::construct(T *ptr) {
		new(ptr)T();
	}
	template<class T>
	void allocator<T>::construct(T *ptr, const T& value) {
		new(ptr)T(value);
	}
	template<class T>
	void allocator<T>::destroy(T *ptr) {
		ptr->~T();
	}
	template<class T>
	void allocator<T>::destroy(T *first, T *last) {
		for (; first != last; ++first) {
			first->~T();
		}
	}
}

真正的底层内存分配器 Alloc

Alloc的内存分配分为两级，一级是大于128KB的内存块管理，直接通过malloc 和 free来进行，小于128KB的内存管理，是通过维护一个内存池来实现的。

	class alloc {
	private:
		enum EAlign { ALIGN = 8 };//小型区块的上调边界
		enum EMaxBytes { MAXBYTES = 128 };//小型区块的上限，超过的区块由malloc分配
		enum ENFreeLists { NFREELISTS = (EMaxBytes::MAXBYTES / EAlign::ALIGN) };//free-lists的个数
		enum ENObjs { NOBJS = 20 };//每次增加的节点数
	private:
		//free-lists的节点构造
		//节省内存你，既可以用来存储数据也可以用来存储指向下一个节点的指针
		union obj {
			union obj *next;
			char client[1];
		};

		static obj *free_list[ENFreeLists::NFREELISTS];
	private:
		static char *start_free;//内存池起始位置
		static char *end_free;//内存池结束位置
		static size_t heap_size;//
	private:
		//将bytes上调至8的倍数
		static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {
			return ((bytes + EAlign::ALIGN - 1) & ~(EAlign::ALIGN - 1));
		}
		//根据区块大小，决定使用第n号free-list，n从0开始计算
		static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {
			return (((bytes)+EAlign::ALIGN - 1) / EAlign::ALIGN - 1);
		}
		//返回一个大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到free-list
		static void *refill(size_t n);
		//配置一大块空间，可容纳nobjs个大小为size的区块
		//如果配置nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低
		static char *chunk_alloc(size_t size, size_t& nobjs);

	public:
		static void *allocate(size_t bytes);
		static void deallocate(void *ptr, size_t bytes);
		static void *reallocate(void *ptr, size_t old_sz, size_t new_sz);
	};

静态初始化

	char *alloc::start_free = 0;
	char *alloc::end_free = 0;
	size_t alloc::heap_size = 0;
	//是一个链表数组
	alloc::obj *alloc::free_list[alloc::ENFreeLists::NFREELISTS] = {
		0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
	};

allocate 与 deallocate

这一部分是alloc 暴露的外部接口，通过找到当前free_list中第一个满足要求内存块大小的内存，从链表头取出返回，如果是释放内存就重新插到对应链表头上。
注意这里的链表头 表示的是大于多少K的节点 比如大于64却小于512的内存块

	void *alloc::allocate(size_t bytes) {
		if (bytes > EMaxBytes::MAXBYTES) {
			return malloc(bytes);//直接调用malloc
		}
		size_t index = FREELIST_INDEX(bytes);
		obj *list = free_list[index];
		if (list) {//此list还有空间给我们
			free_list[index] = list->next;
			return list;
		}
		else {//此list没有足够的空间，需要从内存池里面取空间
			return refill(ROUND_UP(bytes));
		}
	}
	void alloc::deallocate(void *ptr, size_t bytes) {
		if (bytes > EMaxBytes::MAXBYTES) {
			free(ptr);
		}
		else {
			size_t index = FREELIST_INDEX(bytes);
			obj *node = static_cast<obj *>(ptr);
			node->next = free_list[index];
			free_list[index] = node;
		}
	}
	void *alloc::reallocate(void *ptr, size_t old_sz, size_t new_sz) {
		deallocate(ptr, old_sz);
		ptr = allocate(new_sz);

		return ptr;
	}

内部的内存管理

refill负责对内存池中取出的对象做处理
chunk_alloc 负责从内存池中取出对应大小的内存块

	//返回一个大小为n的对象，并且有时候会为适当的free list增加节点
	//假设bytes已经上调为8的倍数
	void *alloc::refill(size_t bytes) {
		size_t nobjs = ENObjs::NOBJS;
		//从内存池里取，会改变nobjs的值
		char *chunk = chunk_alloc(bytes, nobjs);
		obj **my_free_list = 0;
		obj *result = 0;
		obj *current_obj = 0, *next_obj = 0;

		if (nobjs == 1) {//取出的空间只够一个对象使用
			return chunk;
		}
		else {//取出内存块较大 需要进行回收
			my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes);
			result = (obj *)(chunk);
			*my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + bytes);
			//将取出的多余的空间加入到相应的free list里面去
			for (int i = 1;; ++i) {
				current_obj = next_obj;
				next_obj = (obj *)((char *)next_obj + bytes);
				if (nobjs - 1 == i) {
					current_obj->next = 0;
					break;
				}
				else {
					current_obj->next = next_obj;
				}
			}
			return result;
		}
	}
	//假设bytes已经上调为8的倍数
	char *alloc::chunk_alloc(size_t bytes, size_t& nobjs) {
		char *result = 0;
		size_t total_bytes = bytes * nobjs;
		size_t bytes_left = end_free - start_free;

		if (bytes_left >= total_bytes) {//内存池剩余空间完全满足需要
			result = start_free;
			start_free = start_free + total_bytes;
			return result;
		}
		else if (bytes_left >= bytes) {//内存池剩余空间不能完全满足需要，但足够供应一个或以上的区块
			nobjs = bytes_left / bytes;
			total_bytes = nobjs * bytes;
			result = start_free;
			start_free += total_bytes;
			return result;
		}
		else {//内存池剩余空间连一个区块的大小都无法提供
			size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);
			if (bytes_left > 0) {//现有剩余内存加入内存池
				obj **my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
				((obj *)start_free)->next = *my_free_list;
				*my_free_list = (obj *)start_free;
			}
			start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);
			if (!start_free) {
				obj **my_free_list = 0, *p = 0;
				for (int i = 0; i <= EMaxBytes::MAXBYTES; i += EAlign::ALIGN) {
					my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
					p = *my_free_list;
					if (p != 0) {
						*my_free_list = p->next;
						start_free = (char *)p;
						end_free = start_free + i;
						return chunk_alloc(bytes, nobjs);
					}
				}
				end_free = 0;
			}
			heap_size += bytes_to_get;
			end_free = start_free + bytes_to_get;
			return chunk_alloc(bytes, nobjs);
		}
	}