STL的内存分配器

Posted 2021-02-07 skiwnchiwns

题记：内存管理一直是C/C++程序的红灯区。关于内存管理的话题，大致有两类侧重点，一类是内存的正确使用，例如C++中new和delete应该成对出现，用RAII技巧管理内存资源，auto_ptr等方面，很多C/C++书籍中都使用技巧的介绍。另一类是内存管理的实现，如linux内核的slab分配器，STL中的allocator实现，以及一些特定于某种对象的内存管理等。最近阅读了一些内存管理实现方面的资料和源码，整理了一下，汇编成一个系列介绍一些常用的内存管理策略。

1. STL容器简介

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：

array.push_back(10);
array.push_back(2);

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。

2. STL的默认内存分配器

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。

这种做法有两个优点：

1）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。

2）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];

3. 分配算法

allocator分配内存的算法如下：

算法：allocate

输入：申请内存的大小size

输出：若分配成功，则返回一个内存的地址，否则返回NULL

{

    if(size大于128）{ 启动第一级分配器直接调用malloc分配所需的内存并返回内存地址；}

    else {

        将size向上round up成8的倍数并根据大小从free_list中取对应的表头free_list_head;

        if(free_list_head不为空）{

              从该列表中取下第一个空闲块并调整free_list；

              返回free_list_head;

        } else {

             调用refill算法建立空闲块列表并返回所需的内存地址；

        }

   }

}

算法： refill

输入：内存块的大小size

输出：建立空闲块链表并返回第一个可用的内存块地址

{

     调用chunk_alloc算法分配若干个大小为size的连续内存区域并返回起始地址chunk和成功分配的块数nobj；

    if(块数为1)直接返回chunk；

    否则

    {

         开始在chunk地址块中建立free_list;

         根据size取free_list中对应的表头元素free_list_head;

         将free_list_head指向chunk中偏移起始地址为size的地址处, 即free_list_head=(obj*)(chunk+size);

         再将整个chunk中剩下的nobj-1个内存块串联起来构成一个空闲列表；

         返回chunk，即chunk中第一块空闲的内存块；

     }

}

 

算法：chunk_alloc

输入：内存块的大小size，预分配的内存块块数nobj(以引用传递)

输出：一块连续的内存区域的地址和该区域内可以容纳的内存块的块数

{

      计算总共所需的内存大小total_bytes；

      if(内存池中足以分配，即end_free - start_free >= total_bytes) {

          则更新start_free;

          返回旧的start_free;

      } else if(内存池中不够分配nobj个内存块，但至少可以分配一个){

         计算可以分配的内存块数并修改nobj；

         更新start_free并返回原来的start_free;

      } else { //内存池连一块内存块都分配不了

         先将内存池的内存块链入到对应的free_list中后；

         调用malloc操作重新分配内存池，大小为2倍的total_bytes加附加量，start_free指向返回的内存地址；

         if(分配不成功) {

             if(16个空闲列表中尚有空闲块）

                尝试将16个空闲列表中空闲块回收到内存池中再调用chunk_alloc(size, nobj)；

            else {

                   调用第一级分配器尝试out of memory机制是否还有用；

            }

         }

         更新end_free为start_free+total_bytes，heap_size为2倍的total_bytes;

         调用chunk_alloc(size,nobj);

    }

}

 

算法：deallocate

输入：需要释放的内存块地址p和大小size

{

    if(size大于128字节）直接调用free(p)释放；

    else{

        将size向上取8的倍数，并据此获取对应的空闲列表表头指针free_list_head;

       调整free_list_head将p链入空闲列表块中；

    }

}

 

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。

图1 某时刻allocator的状态

图2 分配24字节大小的内存块

4. 小结

STL中的内存分配器实际上是基于空闲列表(free list)的分配策略，最主要的特点是通过组织16个空闲列表，对小对象的分配做了优化。

1）小对象的快速分配和释放。当一次性预先分配好一块固定大小的内存池后，对小于128字节的小块内存分配和释放的操作只是一些基本的指针操作，相比于直接调用malloc/free，开销小。

2）避免内存碎片的产生。零乱的内存碎片不仅会浪费内存空间，而且会给OS的内存管理造成压力。

3）尽可能最大化内存的利用率。当内存池尚有的空闲区域不足以分配所需的大小时，分配算法会将其链入到对应的空闲列表中，然后会尝试从空闲列表中寻找是否有合适大小的区域，

但是，这种内存分配器局限于STL容器中使用，并不适合一个通用的内存分配。因为它要求在释放一个内存块时，必须提供这个内存块的大小，以便确定回收到哪个free list中，而STL容器是知道它所需分配的对象大小的，比如上述：

stl::vector<int> array;

array是知道它需要分配的对象大小为sizeof(int)。一个通用的内存分配器是不需要知道待释放内存的大小的，类似于free(p)。

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