STL—内存的配置与释放

上一篇我们介绍了STL对象的构造与析构，这篇介绍STL内存的配置与释放。

STL有两级空间配置器，默认是使用第二级。第二级空间配置器会在某些情况下去调用第一级空间配置器。空间配置器都是在allocate函数内分配内存，在deallocate函数内释放内存。

 

第一级空间配置器

 

第一级配置器只是对malloc函数和free函数的简单封装，在allocate内调用malloc，在deallocate内调用free。同时第一级配置器的oom_malloc函数，用来处理malloc失败的情况。如下所示：

allocate对malloc函数简单封装 :

static void *allocate(size_t n)
{
          void *result = malloc(n);
           if (NULL == result)
                    result = oom_malloc(n);
           return result;
}

deallocate对free函数简单封装 :

static void deallocate(void *p, size_t) { free(p); }

oom_malloc调用外部提供的malloc失败处理函数，然后重新试着再次调用malloc。重复执行此过程，直到malloc成功为止 :

template <int inst>
void* __malloc_alloc<inst>::oom_malloc(size_t n)
{
        void (*my_malloc_handler)();
        void *result;
        for (;;)
        {
                my_malloc_handler = malloc_alloc_oom_handler;
                if (NULL == my_malloc_handler)
                        __THROW_BAD_ALLOC;
                (*my_malloc_handler)();
                result = malloc(n);
                if (result)
                        return result;
        }
}

第二级空间配置器

第一级配置器直接调用malloc和free带来了几个问题：

1.内存分配/释放的效率低。2. 当配置大量的小内存块时，会导致内存碎片比较严重。3. 配置内存时，需要额外的部分空间存储内存块信息，所以配置大量的小内存块时，还会导致额外内存负担。

 

第二级配置器维护了一个自由链表数组，每次需要分配内存时，直接从相应的链表上取出一个内存节点就完成工作，效率很高。

 

自由链表数组

自由链表数组其实就是个指针数组，数组中的每个指针元素指向一个链表的起始节点。数组大小为16，即维护了16个链表，链表的每个节点就是实际的内存块，相同链表上的内存块大小都相同，不同链表的内存块大小不同，从8一直到128。如下所示，obj为链表上的节点，free_list就是链表数组。

//自由链表
union obj
{
          union obj *free_list_link;
          char data[];
};
//自由链表数组
static obj *volatile free_list[__NFREELISTS];

内存分配

allocate函数内先判断要分配的内存大小，若大于128字节，直接调用第一级配置器，否则根据要分配的内存大小从16个链表中选出一个链表，取出该链表的第一个节点。若相应的链表为空，则调用refill函数填充该链表。如下：

template <bool threads>
void *__default_alloc<threads>::allocate(size_t n)
{
        obj *volatile *my_free_list;
        obj *result;
        if (n > (size_t)__MAX_BYTES) //调用第一级配置器
                return malloc_alloc::allocate(n);
        my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
        result = *my_free_list;
        if (result == NULL)
        {
                //第n号链表无内存块，则准备重新填充该链表
                void *r = refill(ROUND_UP(n));
                return r;
        }
        *my_free_list = result->free_list_link;
        return result;
}

填充链表

若allocate函数内要取出节点的链表为空，则会调用refill函数填充该链表。

refill函数内会先调用chunk_alloc函数从内存池分配一大块内存，该内存大小默认为20个链表节点大小，当内存池的内存也不足时，返回的内存块节点数目会不足20个。接着refill的工作就是将这一大块内存分成20份相同大小的内存块，并将各内存块连接起来形成一个链表。如下：

template <bool threads>
void *__default_alloc<threads>::refill(size_t n)
{
        int nobjs = __NOBJS;
        char *chunk = chunk_alloc(n, nobjs);  //从内存池获取内存
        if (nobjs == )  //只能分配一块，则直接返回给调用者
                return chunk;
        obj *volatile *my_free_list;
        obj *result, *next_obj, *current_obj;
        result = (obj *)chunk;
        my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
        *my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + n);
        for (int i = ; i < nobjs - ; i++)  //将剩下的区块添加进链表
        {
                current_obj = next_obj;
                next_obj = (obj *)(char *)(next_obj + n);
                current_obj->free_list_link = next_obj;
        }
        //最后一块
        current_obj = next_obj;
        current_obj->free_list_link = NULL;
        return result;
}

内存池

chunk_alloc函数内管理了一块内存池，当refill函数要填充链表时，就会调用chunk_alloc函数，从内存池取出相应的内存。

在chunk_alloc函数内首先判断内存池大小是否足够填充一个有20个节点的链表，若内存池足够大，则直接返回20个内存节点大小的内存块给refill。如下：

        if (size_left >= total_size)  //内存池剩余空间满足需求
        {
                result = start_free;
                start_free += total_size;
                return result;
        }

若内存池大小无法满足20个内存节点的大小，但至少满足1个内存节点，则直接返回相应的内存节点大小的内存块给refill；

        else if (size_left >= size)  //剩余空间不能全部满足，但至少满足一块
        {
                nobjs = size_left / size;
                result = start_free;
                start_free += nobjs * size;
                return result;

若内存池连1个内存节点大小的内存块都无法提供，则chunk_alloc函数会将内存池中那一点点的内存大小分配给其他合适的链表，然后去调用malloc函数分配的内存大小为所需的两倍。若malloc成功，则返回相应的内存大小给refill；若malloc失败，会先搜寻其他链表的可用的内存块，添加到内存池，然后递归调用chunk_alloc函数来分配内存，若其他链表也无内存块可用，则只能调用第一级空间配置器，因为第一级空间配置器有malloc失败的出错处理函数，最终的希望只能寄托在那里了。

如下是整个chunk_alloc函数：

template <bool threads>
char *__default_alloc<threads>::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs)
{
        size_t total_size = size * nobjs;
        char *result;
        size_t size_left = end_free - start_free;
        if (size_left >= total_size)  //内存池剩余空间满足需求
        {
                result = start_free;
                start_free += total_size;
                return result;
        }
        else if (size_left >= size)  //剩余空间不能全部满足，但至少满足一块
        {
                nobjs = size_left / size;
                result = start_free;
                start_free += nobjs * size;
                return result;
        }
        else  //连一个区块都无法满足
        {
                if (size_left > )  //将残余内存分配给其他合适的链表
                {
                        obj *volatile *my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(size_left);
                        ((obj *)start_free)->free_list_link = *my_free_list;  //在头部插入
                        *my_free_list = (obj *)start_free;
                }
                size_t bytes_to_get =  * total_size + ROUND_UP(heap_size >> );
                start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);
                if (start_free == NULL)  //堆空间不足
                {
                        int i;
                        obj *volatile *my_free_list;
                        obj *p;
                        for (i = size; i < __MAX_BYTES; i++)
                        {
                                my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
                                p = *my_free_list;
                                if (p != NULL)
                                {
                                        *my_free_list = p->free_list_link;
                                        start_free = (char *)p;
                                        end_free = start_free + i;
                                        return chunk_alloc(size, nobjs);
                                }
                        }
                        end_free = NULL;
                        //调用第一级配置器
                        start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
                }
                heap_size += bytes_to_get;
                end_free = start_free + heap_size;
                return chunk_alloc(size, nobjs);
        }
}

内存释放

第二级配置器的deallocate函数并不会直接释放内存块。当内存块大小大于128字节时才会直接释放，否则会将内存块回收到相应的链表当中。如下：

void __default_alloc<threads>::deallocate(void *p, size_t n)
{
        //大于__MAX_BYTES，则释放该内存
        if (n > (size_t)__MAX_BYTES)
                malloc_alloc::deallocate(p, n);
        obj *q = (obj *)p;
        obj *volatile *my_free_list;
        my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
        //小于__MAX_BYTES，则回收区块,并未释放
        q->free_list_link = *my_free_list;
        *my_free_list = q;
}

内存对外接口

STL对外提供了一个simple_alloc类，该类提供统一的接口：allocate函数、deallocate函数，使得外部无需关心使用的是几级内存配置器。另外simple_alloc类将外部所需的对象个数转换为字节。如下。

template <typename T, typename Alloc>
class simple_alloc
{
public:
        static T *allocate(size_t n) // 个数
        {
                return n ==  ?  : (T*)Alloc::allocate(n * sizeof(T)); // 将个数转换为字节
        }

        static T *allocate(void)
        {
                return (T*)Alloc::allocate(sizeof(T));
        }

        static void deallocate(T *p, size_t n) // 个数
        {
                if (n != )
                        Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T));
        }

        static void deallocate(T *p)
        {
                Alloc::deallocate(p, sizeof(T));
        }
};

（全文完）

附：

STL系列文章：http://www.cnblogs.com/zxiner/p/7197402.html

一款简易版STL的实现，项目地址：https://github.com/zinx2016/MiniSTL/tree/master/MiniSTL