STL 源码分析六大组件-allocator

1. allocator 基本介绍

分配器(allocator))是C ++标准库的一个组件, 主要用来处理所有给定容器(vector,list,map等)内存的分配和释放。C ++标准库提供了默认使用的通用分配器std::allocator,但是,也可以由程序员自己提供自定义分配器。

2. allocator 标准库规范

我们去看std中的stl分配器实现,会发现无论你的实现思路怎么变,所有模板类中的接口和成员变量都是一样的,那么这是因为C++标准库在制定分配器时,是有提出硬性标准的,具体接口和成员变量如下:

STD 标准规范(GNU ISO C++ Library 5.2.1):

typedef size_t     size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
typedef _Tp* pointer;
typedef const _Tp* const_pointer;
typedef _Tp& reference;
typedef const _Tp& const_reference;
typedef _Tp value_type; void construct(pointer __p, const _Tp& __val) { ::new((void *)__p) value_type(__val); } void destroy(pointer __p) { __p->~_Tp(); } size_type max_size() const _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { return size_t(-1) / sizeof(_Tp); } address(const_reference __x) const _GLIBCXX_NOEXCEPT deallocate(pointer, size_type); allocate(size_type __n, const void* = 0); template<typename _Tp1>
struct rebind { typedef allocator<_Tp1> other; };

对于上面这一段接口和变量,其中一些在其他容器的分析中,我们会经常看到,下面对于其中有疑问的点我们来解释一下:

size_type:

为 unsigned 类型 , 表示容器中元素长度或者下标,例:vector::size_type i = 0;我们都知道 size_t 在32位和64位系统上是不一样的,size_t已经可以解决平台差异了,那为什么还要引入size_type,这里我们可以理解为size_t是属于全局的,而size_type是跟容器相关的,是属于STL的一套,在其他容器中也是一样的。

difference_type:

为 signed 类型 , 表示迭代器差距, vector:: difference_type = iter1-iter2,ptrdiff_t通常用来保存两个指针减法操作的结果。

size_t(-1):

size_t 为 unsigned 类型,传入 -1 获得size_t该系统的最大值。

3. GNU ISO C++ Library 中STL分配器实现

1. 默认分配器:

按照标准规范,标准库中stl实现的分配器,对外接口,成员变量几乎都一样,只是接口内部实现有区别,那么我们看一下具体实现流程,
首先看一下容器默认的分配器std::allocator。 看代码我们会发现,默认分配器真正的实现是在new_allocator.h头文件中做的,头文件具体调用顺序为:allocator.h -> c++allocator.h -> new_allocator.h, 看代码我们知道,在前面两个头文件中基本没做什么,真正的实现为模板类new_allocator。 关键代码如下所示:

namespace __gnu_cxx _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
{
_GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
template<typename _Tp>
class new_allocator
{
public:
typedef _Tp* pointer;
typedef const _Tp* const_pointer; // NB: __n is permitted to be 0. The C++ standard says nothing
// about what the return value is when __n == 0.
pointer
allocate(size_type __n, const void* = 0)
{
if (__n > this->max_size())
std::__throw_bad_alloc(); return static_cast<_Tp*>(::operator new(__n * sizeof(_Tp)));
} // __p is not permitted to be a null pointer.
void
deallocate(pointer __p, size_type)
{ ::operator delete(__p); }
}
_GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
} // namespace

我们看一下分配和释放的接口allocate和deallocate,实现上只是单纯的将::operator new和::operator delete进行了一下封装,没用做特殊处理。

当然,如果我们不特别说明,直接在Linux系统下使用标准C++的stl容器,在为容器元素分配内存时,使用的方式就是类似于正常的new和delete,这种方式对于不频繁分配,并且一次分配大块内存的使用情况是适用的,典型的容器像vector和deque。

2. 拓展分配器:

我们继续查看STL源码会发现,除了默认分配器,gnu下的STL还实现了一些特殊的分配器,像__pool_alloc,__mt_alloc,array_allocator,malloc_allocator (在源码的/c++/ext/ 目录下)

__pool_alloc :比较出名的SGI内存池分配器,侯捷老师在STL源码剖析中着重分析的,后面会专门加一章来进行讲解

__mt_alloc : 多线程内存池分配器,具体可以看一下该博主的链接讲解,还是比较详细的

array_allocator : 全局内存分配,只分配不释放,交给系统来释放

malloc_allocator : 封装了一下std::malloc和std::free

4. 自定义分配器 (allocator)

我们为什么要自定义分配器,废话,主要原因当然是因为性能了。利用自定义分配器可以显著改善程序性能及分配器使用便利性。

对于默认分配器,也就是我们常使用的new和malloc,如果遇到需要频繁分配小块内存对象的情况,因为需要不停的向系统锁要内存,那么将使得分配过程变得很慢;还有就是导致出现过多的内存碎片;以及一些极端情况,分配的内存过于小且数量庞大,导致分配一次内存,附带的内存消耗反而更大,造成内存的浪费

主流提高性能的方式是创建基于内存池的分配器,每次在容器中插入删除元素,不是分配内存,而是分配程序启动时预先分配的大块内存(内存池)。这种自定义分配器,通过简单的从池中返回指向内存的指针来提供单独的分配请求。还有就是可以推迟实践的内存释放,直到内存池生命周期结束

C++之父 Bjarne stroustrup 提到,自定义分配器的三个主要应用,即内存池分配器,共享内存分配器和垃圾收集(gc)分配器

垃圾回收应该就是智能指针,自己控制资源的回收;内存池则主要负责对性能的提升;共享内存分配器则是对特殊缓存区的处理。 后续会一一分析介绍!

具体链接:

SGI 内存池分配器

智能指针

共享内存分配-hashmap

多线程分配器

2018年9月8日00:18:28

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