SGI-STL简记-内存分配器解析

Posted 2021-05-07 haomiao

defalloc.h ：
    默认分配器allocator：
        早期专用于HP的默认分配器，目前是不被赞成使用的；
        仅提供了allocator模板简单封装，重声明(或类型外抛)一些必要的类型Type,此外提供申请和释放内存接口(底层直接使用全局::operator new和::operator delete进行内存分配和释放)；
        取引用的地址、取常引用的常量地址等接口；
        allocate：内部取消new申请内存时失败跳转处理函数而是直接抛出异常；
        init_page_size：申请页大小下最大空间大小,采用4K(4096)/sizeof(T)计算；
        max_size：申请最大空间大小，采用UINT_MAX/sizeof(T)计算。
        此外模板特化allocator<void>，仅重声明指针类型；
        
stl_alloc.h：
    STL内部的分配器allocator(默认的__default_alloc_template模板类采用线程安全的分配器)：
        同默认分配器重声明了一些必要的类型Type、申请和释放内存接口、取引用的地址、取常引用的常量地址、max_size:申请最大空间大小，采用size_t(-1)/sizeof(T)计算;
        不同点在于其底层内存处理使用的是一个alloc(实际为__default_alloc_template模板类或malloc_alloc(__malloc_alloc_template))，通过它进行申请和释放内存；
        提供了默认构造、析构、赋值构造、构造construct(通过"放置"new)、销毁destroy(通过调用其析构函数)、提供rebind类结构声明；
        此外模板特化allocator<void>，重声明了一些必要的类型Type；
    STL内部的分配适配器__allocator(通过模板参数提供底层内存分配):
        同上者一样，不过底层内存处理为一个模板参数提供的类型对象__underlying_alloc；当__allocator<_Tp, alloc>时则与allocator<_Tp>相同；
    底层内存处理模板类__default_alloc_template(可认为其为一个内存池的模板类)：
        模板参数分别为bool threads, int inst,threads为true则为线程安全，否则只能用于单线程情况；inst只是一个标识，用以支持多个不同的__default_alloc_template实例；
        _ALIGN：字节对齐8字节；
        _MAX_BYTES：最大字节128字节，超过则调用malloc_alloc分配；
        _NFREELISTS：释放后的指针列表_S_free_list大小128/8=16；
        _S_free_list：释放后列表数组，保存着指向各索引空间链表地址的指针；
        _S_start_free(0)、_S_end_free(0)、_S_heap_size(0)：块分配状态；
        _S_node_allocator_lock：分配器锁对象；
        内部自动锁类_Lock；用于包装_S_node_allocator_lock加解锁，windows下使用的是原子锁，其他平台下使用的是引用计数加pthread_mutex_lock；
        _Obj:联合类，封装链表指针或链表下一个对象，为了节省空间把申请到的空间作为指向下一个节点内存；
        供外部调用接口allocate分配内存，deallocate释放内存，reallocate重新申请内存；
        _S_round_up：字节对齐，调整到_ALIGN字节的整数倍(n + (size_t) _ALIGN-1) & ~((size_t) _ALIGN - 1))；
        _S_freelist_index：计算当前申请字节大小在_S_free_list列表中的位置索引(n + (size_t)_ALIGN-1)/(size_t)_ALIGN - 1,范围0~15;
        故得出_S_free_list保存的链表申请布局如:[8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64,..., 128]，每个节点链表为单链表，最新的节点申请和释放均为表头，
        这样可加速申请和释放操作，事实上释放的节点直接加载节点链表的表头并不free，若链表为空则申请相应索引下大小的空间内存;
        _S_refill、_S_chunk_alloc：填充节点链表以及申请空间内存(事实上_S_chunk_alloc内部在开始申请空间时并不是申请相应空间大小，而是对应申请索引布局下
        字节的更多倍(为了再次避免内存碎片和频繁申请)(具体操作细节可以看一下源码实现)，_S_refill负责填充_S_chunk_alloc申请后未被使用的链表申请布局拆分至相应
        的节点链表上供下一次直接供给申请使用而无需再申请内存,而后返回一片内存供上层使用)；
    __default_alloc_template模板类内部用到的malloc_alloc大块内存分配类(即__malloc_alloc_template<0>模板类)：
        __malloc_alloc_template提供对外使用接口：
            allocate：内部调用malloc申请内存，若失败，则调用_S_oom_malloc;
            deallocate：内部直接调用free释放内存；
            reallocate：内部调用realloc重申请内存，若失败，则调用_S_oom_realloc；
            此外还提供了__set_malloc_handler设置申请处理函数；
            _S_oom_malloc：内部通过判断申请处理函数是否为空，若为空则抛出bad_alloc异常，否则执行处理函数并继续循环调用malloc直到申请成功；每次申请前均会
            调用该处理函数；
            _S_oom_realloc：同_S_oom_malloc类型，循环调用realloc重申请；
            
    依赖关系：分配器__allocator、allocator->分配器模板__default_alloc_template(核心组件)->__malloc_alloc_template(大块内存申请处理)(或全局malloc、free)->
              全局malloc、free;
              
    __allocator、allocator、__default_alloc_template具备申请管理大、小内存机制(最底层是通过调用malloc/free/remalloc实现)以及锁资源保护(当然也可以用宏设置不加锁，
    此时若上层需要自己维护自己的资源，是否给你的某些资源加锁保护，依赖于具体情况)，其他直接调用malloc/free/remalloc实现；
            
    其他的内存分配适配器模板类：
        simple_alloc简易封装分配器、debug_alloc分配内存前带额外8字节的调试信息封装分配器、_Alloc_traits分配器类型萃取模板类；
        其中_Alloc_traits模板参数的分配器可为特化版本类型，如：allocator、__allocator、__malloc_alloc_template、__default_alloc_template、debug_alloc；
        此外_Alloc_traits模板参数的分配器的_S_instanceless为以上类型时值为true，其他用户自定义类型则为false，当为true时通过rebind获取allocator_type，
        其他则通过相应分配器获取allocator_type，此外还提供了simple_alloc简易封装分配器的_Alloc_type类型；
        _Alloc_traits用在容器模板类的各个角落，并且默认情况下容器的分配器为allocator<T>或alloc(__default_alloc_template或malloc_alloc(__malloc_alloc_template))；
        single_client_alloc为__default_alloc_template不加锁时的分配器很快但不安全，malloc_alloc安全但是不够快，allocator为默认的分配器安全比较高效；