STL中的空间配置器
STL中的空间配置器
一般我们习惯的c++内存配置如下
class Foo { ... };
Foo* pf = new Foo;
delete pf;
这里的new实际上分为两部分执行。首先是先用::operator new配置内存，然后执行Foo::Foo()构造对象内容。delete也一样，先运行Foo::~Foo()析构对象，再用::operator delete释放内存。在SGI STL中，这两部分分别在<stl_alloc.h>和<stl_construct.h>中。本文讲的便是<stl_alloc.h>中的故事。
SGI STL中将配置器分为两级。第一级直接用malloc和free管理内存，第二级则使用内存池以避免内存碎片。这两级都由simple_alloc包装起来以符合stl标准。如图
第一级由于没有用operator new，所以要自己实现new-handler机制。我仿写的代码如下
#ifndef _MALLOC_ALLOC_H_
#define _MALLOC_ALLOC_H_
//定义内存不足又没有定义相关处理函数时抛出的异常
#ifndef THROW_OOM
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# define THROW_OOM fprintf(stderr, "out of memory\n"); exit(1)
#endif
#include<stdlib.h>
namespace Chenstl{
//第一级空间配置器，直接用mallloc分配内存
//当需要分配的空间大于MAX_BYTES时使用
class malloc_alloc{
private:
static void *oom_malloc(size_t); //声明时可以只写类型啊。。现在才知道
static void *oom_realloc(void *,size_t);
static void (* malloc_oom_handler)(); //处理malloc时内存不足时的函数指针
public:
static void *allocate(size_t n);
static void decllocate(void *p);
static void *realloc(void *p, size_t new_sz);
//当内存不足时，需要客户端设置handler
static void set_malloc_oom_handler(void(*f)());
};
}
#endif
----------------------------------------------------------------------------------
#include "malloc_alloc.h"
using namespace Chenstl;
void *malloc_alloc::allocate(size_t n)
{
void *result = malloc(n);
if (0 == result) result = oom_malloc(n);
return result;
}
void malloc_alloc::decllocate(void *p)
{
free(p);
}
void * malloc_alloc::realloc(void *p, size_t new_sz)
{
void *result = realloc(p, new_sz);
if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz);
return result;
}
//当内存不足时，需要客户端设置handler
void malloc_alloc::set_malloc_oom_handler(void(*f)())
{
malloc_oom_handler = f;
}
void(*malloc_alloc::malloc_oom_handler)() = 0;
void *malloc_alloc::oom_malloc(size_t n)
{//不断试图获得内存
void *result;
for (;;) //据说这样比while(1)效果更优
{
if (0 == malloc_oom_handler) THROW_OOM;
(*malloc_oom_handler)();
result = malloc(n);
if (result) return result;
}
}
void *malloc_alloc::oom_realloc(void *p, size_t n)
{
void *result;
for (;;)
{
if (0 == malloc_oom_handler) THROW_OOM;
(*malloc_oom_handler)();
result = realloc(p, n);
if (result) return result;
}
}
malloc_alloc.cpp
如果需要的区块超过128bytes则用第一级，否则用第二级的内存池管理。为了便于管理，配置器会自动将内存需求量上调到8的倍数（要求20bytes时，自动调整为24bytes）。用16个freelist管理内存池，为节省空间，使用union
union obj { //free-lists的节点构造
union obj *next;
char client[1]; //使用者可见
};
获取内存时的代码及步骤如下
void *default_alloc::allocate(size_t n)
{
obj *result = 0;
obj **my_free_list = 0;
if (n > MAX_BYTES)
return malloc_alloc::allocate(n);
//寻找free lists中合适的一个
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
result = *my_free_list;
if(0 == result)
{//没有找到可用的freelist，从内存池里取出空间
return refill(ROUND_UP(n));
}
//调整freelist
*my_free_list = result->next;
return result;
}
当free list中没有可用区块时，调用refill()为free list填充空间，新的空间取自内存池（由chunk_alloc()完成）。如果内存池不够，则malloc之，如果系统heap空间也不够，chunk_alloc()就寻找还有空闲区块的free list并将其内存充公，如果还是不够就调用第一级配置器。第一级配置器有实现new-handler机制，内存不够会抛出异常。
#ifndef _DEFAULT_ALLOC_H
#define _DEFAULT_ALLOC_H
namespace Chenstl{
//使用内存池以减少碎片
class default_alloc {
private:
enum { ALIGN = 8};
enum { MAX_BYTES = 128 };
enum { NFREELISTS = 16 };
//static const int ALIGN = 8;
//static const int MAX_BYTES = 128;
//static const int NFREELISTS = 16; //MAX_BYTES/ALIGN
union obj { //free-lists的节点构造
union obj *next;
char client[1];
};
//freelist
static obj *free_list[NFREELISTS];
static char *start_free; //内存池的起始位置
static char *end_free; //内存池的终止位置
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 +ALIGN - 1) & ~(ALIGN - 1));
}
//获取合适的区块在freelist中的位置
static size_t FREELIST_INDEX(size_t __bytes) {
return (((__bytes)+(size_t)ALIGN - 1) / (size_t)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, int &nobjs);
public:
static void *allocate(size_t n);
static void deallocate(void *p, size_t n);
static void *realloc(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz);
};
}
#endif
default_alloc.h
---------------------------------------------------------
#include "default_alloc.h"
#include "malloc_alloc.h"
using namespace Chenstl;
default_alloc::obj *default_alloc::free_list[NFREELISTS]
= { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, };
char *default_alloc::start_free = 0; //内存池的起始位置
char *default_alloc::end_free = 0; //内存池的终止位置
size_t default_alloc::heap_size = 0;
void *default_alloc::allocate(size_t n)
{
obj *result = 0;
obj **my_free_list = 0;
if (n > MAX_BYTES)
return malloc_alloc::allocate(n);
//寻找free lists中合适的一个
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
result = *my_free_list;
if(0 == result)
{//没有找到可用的freelist，从内存池里取出空间
return refill(ROUND_UP(n));
}
//调整freelist
*my_free_list = result->next;
return result;
}
void default_alloc::deallocate(void *p, size_t n)
{
}
//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freelist
//在ANSI c中，void *不允许进行加减操作，所以chunk用char *
void *default_alloc::refill(size_t n)
{
int objs = 20;
char *chunk = chunk_alloc(n, objs);
obj *next, *current;
obj *result;
obj **my_free_list;
if (1 == objs) //只取出一个区块
return chunk;
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
result = (obj *)chunk; //这一块返回给客户端
//将freellist指向分配的区域
*my_free_list = next = (obj *)chunk + n;
for (int i = 1;; i++)
{
current = next;
next = (obj *)((char *)next + n); //这里注意不能直接用next+n
if (i == objs - 1)
{
current->next = 0;
break;
}
else
current->next = next;
}
return result;
}
char *default_alloc::chunk_alloc(size_t size, int &nobjs)
{
char *result = 0;
size_t total_bytes = size*nobjs;
size_t bytes_left = end_free - start_free; //内存池剩余空间
if (bytes_left >= total_bytes)
{//内存池足够提供所需内存
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}
else if (bytes_left >= size)
{//内存池足够供应一个以上的区块
nobjs = bytes_left / size;
total_bytes = nobjs * size;
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}
else
{//内存池一块区块也供应不了
size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);;
if (bytes_left>0)
{//将内存池的零头分配给合适的freelist
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)
{//系统堆内存不足，寻找还未使用的freelist
obj *p = 0;
obj **my_free_list = 0;
for (int i = size; i < MAX_BYTES; ++i)
{
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
p = *my_free_list;
if (0 != p)
{//还有未使用的freelist
start_free = (char *)p;
*my_free_list = p->next;
end_free = start_free + i;
//递归调用，修正nobjs
return chunk_alloc(size, nobjs);
}
}
//没内存可用，寄希望于第一级的new-handler或抛出异常
end_free = 0;
start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
}
heap_size += bytes_to_get;
end_free = start_free + bytes_to_get;
return chunk_alloc(size, nobjs);//递归调用，修正nobjs
}
}
default_alloc.cpp
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