STL 源碼分析六大組件-allocator

1. allocator 基本介紹

分配器(allocator))是C ++標準庫的一個組件, 主要用來處理全部給定容器(vector，list，map等)內存的分配和釋放。C ++標準庫提供了默認使用的通用分配器std::allocator，可是，也能夠由程序員本身提供自定義分配器。

2. allocator 標準庫規範

咱們去看std中的stl分配器實現，會發現不管你的實現思路怎麼變，全部模板類中的接口和成員變量都是同樣的，那麼這是由於C++標準庫在制定分配器時，是有提出硬性標準的，具體接口和成員變量以下：

STD 標準規範(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; };

對於上面這一段接口和變量，其中一些在其餘容器的分析中，咱們會常常看到，下面對於其中有疑問的點咱們來解釋一下：

size_type：

爲 unsigned 類型 , 表示容器中元素長度或者下標，例：vector ::size_type i = 0；咱們都知道 size_t 在32位和64位系統上是不同的，size_t已經能夠解決平臺差別了，那爲何還要引入size_type，這裏咱們能夠理解爲size_t是屬於全局的，而size_type是跟容器相關的，是屬於STL的一套，在其餘容器中也是同樣的。

difference_type：

爲 signed 類型 , 表示迭代器差距， vector :: difference_type = iter1-iter2，ptrdiff_t一般用來保存兩個指針減法操做的結果。

size_t(-1)：

size_t 爲 unsigned 類型，傳入 -1 得到size_t該系統的最大值。

3. GNU ISO C++ Library 中STL分配器實現

1. 默認分配器：

按照標準規範，標準庫中stl實現的分配器，對外接口，成員變量幾乎都同樣，只是接口內部實現有區別，那麼咱們看一下具體實現流程， 首先看一下容器默認的分配器std::allocator<_Tp>。 看代碼咱們會發現，默認分配器真正的實現是在new_allocator.h頭文件中作的，頭文件具體調用順序爲：allocator.h -> c++allocator.h -> new_allocator.h, 看代碼咱們知道，在前面兩個頭文件中基本沒作什麼，真正的實現爲模板類new_allocator。 關鍵代碼以下所示：

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

咱們看一下分配和釋放的接口allocate和deallocate，實現上只是單純的將::operator new和::operator delete進行了一下封裝，沒用作特殊處理。

固然，若是咱們不特別說明，直接在Linux系統下使用標準C++的stl容器，在爲容器元素分配內存時，使用的方式就是相似於正常的new和delete，這種方式對於不頻繁分配，而且一次分配大塊內存的使用狀況是適用的，典型的容器像vector和deque。

2. 拓展分配器：

咱們繼續查看STL源碼會發現，除了默認分配器，gnu下的STL還實現了一些特殊的分配器，像__pool_alloc，__mt_alloc，array_allocator，malloc_allocator (在源碼的/c++/ext/ 目錄下)

__pool_alloc ：比較出名的SGI內存池分配器，侯捷老師在STL源碼剖析中着重分析的，後面會專門加一章來進行講解

__mt_alloc ： 多線程內存池分配器，具體能夠看一下該博主的連接講解，仍是比較詳細的

array_allocator ： 全局內存分配，只分配不釋放，交給系統來釋放

malloc_allocator ： 封裝了一下std::malloc和std::free

4. 自定義分配器 (allocator)

咱們爲何要自定義分配器，廢話，主要緣由固然是由於性能了。利用自定義分配器能夠顯著改善程序性能及分配器使用便利性。

對於默認分配器，也就是咱們常使用的new和malloc，若是遇到須要頻繁分配小塊內存對象的狀況，由於須要不停的向系統鎖要內存，那麼將使得分配過程變得很慢；還有就是致使出現過多的內存碎片；以及一些極端狀況，分配的內存過於小且數量龐大，致使分配一次內存，附帶的內存消耗反而更大，形成內存的浪費

主流提升性能的方式是建立基於內存池的分配器，每次在容器中插入刪除元素，不是分配內存，而是分配程序啓動時預先分配的大塊內存（內存池）。這種自定義分配器，經過簡單的從池中返回指向內存的指針來提供單獨的分配請求。還有就是能夠推遲實踐的內存釋放，直到內存池生命週期結束

C++之父 Bjarne stroustrup 提到，自定義分配器的三個主要應用，即內存池分配器，共享內存分配器和垃圾收集(gc)分配器

垃圾回收應該就是智能指針，本身控制資源的回收；內存池則主要負責對性能的提高；共享內存分配器則是對特殊緩存區的處理。 後續會一一分析介紹！

具體連接：

SGI 內存池分配器
智能指針
共享內存分配-hashmap
多線程分配器

2018年9月8日00:18:28