[C++]STL-空间配置器(一)

空间配置器

从STL的实现来说，首先需要明白的就是空间配置器，因为整个STL的操作对象都放在容器中，而容器需要一定配置空间以置放资料。

空间配置器的标准接口

//  标准接口，一些typedef

allocator::value_type;
allocator::pointer;
allocator::const_pointer;
allocator::reference;
allocator::const_reference;
allocator::size_type;
allocator::difference_type;

allocator::rebind
//  一个嵌套的class template，class rebind<U>拥有唯一成员other，那是一个typedef，代表allocator<U>

allocator::allocator()
//  default constructor

allocator::allocator(const allocator&)
// copy constructor

template <class U>allocator::allocator<const allocator<U>&)
//  generic copy constructor

allocator::~allocator()
//  default constructor

pointer allocator::address(reference x) const
//  返回对象的地址，等同于&x

const_pointer allocator::address(const_reference x)const
//  返回对象的地址，等同于&x

pointer allocator::allocate(size_type n, const void* = 0)
//  配置空间，足以存储n个T对象，第二参数是个提示，实现上可能利用它来增进区域性，或完全忽略之

void allocator::deallocate(pinter p, size_type n)
//  归还之前配置的空间

size_type allocator::max_size() const
//  按返回可成功配置的最大空间

void allocator::constructor(pointer p, const T&x)
//  等同于 new(const void* p ) T(x) 即placement new

void allocator::destroy(pinter p)
//  等同于 p->~T()

设计一个简单的空间配置器

#ifndef _Test_Alloc_
#define _Test_Alloc_

#include <new> // for placement new
#include <cstddef> // for ptrdiff_t, size_t
#include <cstdlib> // for exit()
#include <climits> // for unit_max
#include <iostream> // for cerr

namespace Test_Alloc {
template <class T>
inline T* _allocate(ptrdiff_t size, T*) {
std::set_new_handler(0);
T* tmp = (T*)(::operator new((size_t)(size * sizeof(T))));
if (tmp == 0)
{
std::cerr << "out of memory" << std::endl;
}
return tmp;
}

template <class T>
inline void _deallocate(T* buffer) {
::operator delete(buffer);
}

template <class T1, class T2>
inline void _construct(T1* p, const T2& value) {
new (p) T1(value);
}

template <class T>
inline void _destroy(T* ptr) {
ptr->~T();
}

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;

template <class U> struct rebind { typedef allocator<U> other; };

pointer allocate(size_type n, const void* hint = 0) {
return _allocate((difference_type)n, (pointer)0);
}

void deallocate(pointer p, size_type n) {
_deallocate(p);
}

void construct(pointer p, const value_type& value) {
_construct(p, value);
}

void destroy(pointer p) { _destroy(p); }

pointer address(reference x) {
return (pointer)&x;
}

const_pointer const_address(const_reference x) {
return (const_pointer)&x;
}

size_type max_size() const {
return size_type(UINT_MAX/sizeof(T));
}
};
}   // end of namespace

#endif

#include <vector>
int main() {
int temp[5]{1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int, Test_Alloc::allocator<int>> iv(temp, temp+5);
for (int i = 0; i < 5; ++i)
{
std::cout << iv[i] << std::endl;
}
return 0;
}

（值得注意的是，在terminal中必须加上 -std=c++11 命令来使用C++11）

SGI STL使用一个专属的、拥有次层配置能力的，效率优越的特殊配置器，在稍后会提及。事实上，SGI STL仍然提供了一个标准的配置器接口，这个标准接口的配置器名为simple_alloc。

具备次配置力的SGI空间配置器

SGI STL的配置器与众不同，也与标准规范不同，其名称是alloc而非allocator，而且不接受任何参数。

vector<int, std::alloc> iv;

在STL中，每个容器都指定了其缺省的空间配置器。

1. SGI特殊的空间配置器，std::alloc

一般而言，C++的内存配置操作和释放操作是调用new，delete。

class Foo{...};
Foo* pf = new Foo;
delete pf;

new实际包含两个操作

1）调用::operator new配置内存

2）调用Foo::Foo()构造对象内容。

delete也包含两个阶段：

1）调用析构函数

2）释放内存

STL allocator把这两个阶段分开，内存配置操作和释放由allocate() 和 deallocate()负责，对象构造和析构由construct()和destroy()负责。

2. 构造和析构工具：construct()和destroy()

以下给出 < stl _ construct.h > 的部分内容。

#include <new> // placement new
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2^ value) {
new (p) T1(value);
}
template <class T>
inline void destroy(T* pointer) {
pointer->~T();
}
//  destroy带区间范围的版本
template <class ForwardIterator>
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) {
__destroy(first, last, value_type(first));
}
//  判读元素的数值类型是否有trivial destructor
template <class ForwardIterator, class T>
inline void __destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) {
typedef typename __type_traits<T>::has_trivial_destructor trivial_destructor;
__destroy_aux(first, last, trivial_destructor());
}

//  如果有trivial destructor
template <class ForwardIterator, class T>
inline void __destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __flase_type) {
for ( ; first < last; ++first) {
destroy(&*first);
}
}
//  如果有trivial destructor，那么就什么都不做
template <class ForwardIterator, class T>
inline void __destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last, __true_type) {
}

//  正对char*和wchar_t*的特化版本
inline void destroy(char*, char*) {}
inline void destroy(wchar_t*, wchar_t* ) {}

值得注意的是，上述的constructor()接受一个指针p和一个初值value，该函数的用途是将初值设定到指针所指的空间上，也就是placement new运算子的作用。

而destroy则是接受指针，调用其析构函数。其中接受范围的版本需要特别注意，当范围非常大时，不断调用析构函数可能会导致效率的极具降低，所以此时我们需要判断析构函数是否有必须被调用的必要，（__type_traits）,由此来区别两种不同的情况。至于如何判断析构函数是否为trivial，会在未来的文章中给出解释。

3. 空间的配置与释放 std::alloc

上文解释了内存配置后的对象构造和析构过程，现在我们来讨论内存的配置和释放。

对象构造前的空间配置和对象析构后的空间释放，由< stl_alloc.h >负责，SGI对此的设计哲学为：

向system heap要求空间。

考虑多线程状态。

内存不足时的应变措施。

考虑过多“小型区块”可能造成的内存碎片问题。

（此处排除多线程的处理）

考虑到小型区块所可能造成的内存破碎问题，SGI设计了双层配置器，第一季配置器直接调用malloc() 和free()（也就是operator new 和 operator delete）， 第二级配置器则视情况采用不同的策略：当配置区块大于128bytes，视之为“足够大”，便调用第一级配置器。当配置区块小于128bytes时，视为“过小”，为了降低额外负担，便采用复杂的memory pool整理方式，而不求助于第一级配置器。整个设计是否开放第二级配置器，取决于__USE_MALLOC是否被定义。

#ifdet __USE_MALLOC
...
typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;
typedef malloc_alloc alloc;  //  令alloc为第一级配置器
#else
...
typedef __default_alloc_template<__NODE_ALLOCATOR_THREADS, 0> alloc;//  令alloc为第二级配置器
#endif

尤其注意，alloc并不接受任何template型别参数。

无论alloc被定义为第一级或第二级配置器，SGI还为它再包装一个接口如下，使配置器的接口能够符合STL规格：

template<class T, class Alloc>
class simple_alloc {
public:
static T* allocate(size_t n) {
return 0 == n ? 0 : (T*)Alloc::aloocate(n * sizeof(T));
}
static T* allocate(void) {
return (T*) Alloc::allocate(sizeof(T));
}
static void deallocate(T *p, size_t n) {
if  (0 != n) {
Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T));
}
}
static void deallocate(T *p) {
Alloc::deallocate(p, sizeof(T));
}
};

其内部的四个成员函数其实都是单纯的转调用，调用传递给配置器的成员函数，这个接口使配置器的配置单位从bytes转为个别元素的大小。

SGI STL容器都使用这种接口。

template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {
protected:
typedef simple_alloc<value_type, Alloc> data_allocator;

void deallocate() {
if (...) {
data_allocator::deallocate(start, end_of_storage - start);
}
}
...
};

一、二级配置器的关系，

接口包装，以及实际运用方式，见下图：