STL空间分配器源码分析（一）

一、摘要

STL的空间分配器（allocator）定义于命名空间std内，主要为STL容器提供内存的分配和释放、对象的构造和析构的统一管理。空间分配器的实现细节，对于容器来说完全透明，容器不需关注内存分配和回收的策略细节如何。

STL allocator需实现如下4个标准接口

pointer allocate(size_type __n, const void*); //内存分配
void deallocate(pointer __p, size_type __n);　//内存释放　
void construct(pointer __p, const _Tp& __val);//构造
void destroy(pointer __p);　　　　　　　　　　   //析构

二、STL的几种空间分配器介绍

• __new_allocator：C++标准中定义的分配器，仅对operator new和operator delete做简单封装
• malloc_allocator：C++标准中定义的分配器，仅对std::malloc和std::free做简单封装
• __mt_alloc：一种支持多线程的空间配置器（亦可单线程），可分配2的幂次方大小的内存块，该配置器可灵活调整，性能高（stl手册描述，个人未实测）
• bitmap_allocator：一种使用位图来区分内存是否分配的配置器
• __pool_alloc：带有单锁内存池的器，即侯捷于《STL源码剖析》中介绍的SGI-STL空间配置器。
• debug_allocator：该空间分配器主要用于调试，可包裹其他allocator，于用户层申请的内存大小的基础上扩容部分，附带调试信息。
• throw_allocator：具有日志记录和异常生成控制的分配器

补充说明：operator new和std::malloc都是仅申请内存，申请的内存不做初始化，但其仍存在如下区别：

• operator new 可由用户重载，调用new关键字时将自动调用重载的operator new函数，而std::malloc不能重载
• operator new 有异常机制，在内存申请失败时会抛出异常，std::malloc申请失败只会返回NULL
• std::malloc 可和realloc结合使用，调整内存申请大小，operator new无类似的操作

三、new_allocator

template<typename _Tp>
class __new_allocator
{
public:
　　/* 重定义了几种类型别名 */
    typedef _Tp        value_type;
    typedef std::size_t     size_type;
    typedef std::ptrdiff_t  difference_type;
#if __cplusplus <= 201703L
    typedef _Tp*       pointer;
    typedef const _Tp* const_pointer;
    typedef _Tp&       reference;
    typedef const _Tp& const_reference;

    template<typename _Tp1>
    struct rebind
    { typedef __new_allocator<_Tp1> other; };
#endif

　　/* 以下几个构造和析构函数，没有做特别实现 */
    _GLIBCXX20_CONSTEXPR
    __new_allocator() _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { }

    _GLIBCXX20_CONSTEXPR
    __new_allocator(const __new_allocator&) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { }

    template<typename _Tp1>
    _GLIBCXX20_CONSTEXPR
    __new_allocator(const __new_allocator<_Tp1>&) _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { }

#if __cplusplus <= 201703L
    ~__new_allocator() _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT { }

　　/* 取参数地址 */
    pointer
    address(reference __x) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return std::__addressof(__x); }

    const_pointer
    address(const_reference __x) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return std::__addressof(__x); }
#endif

    _GLIBCXX_NODISCARD _Tp*
    allocate(size_type __n, const void* = static_cast<const void*>(0));

    void
    deallocate(_Tp* __p, size_type __n __attribute__ ((__unused__)));

#if __cplusplus <= 201703L
    size_type
    max_size() const _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT
    { return _M_max_size(); }

#if __cplusplus >= 201103L
　　/* C++11新特性，采用std::forward将参数完美转发，保留其右值属性
　　*  调用placement new，在已分配好的内存上构造对象，形参为std::forward转发的参数
　　*/
    template<typename _Up, typename... _Args>
    void
    construct(_Up* __p, _Args&&... __args)
    noexcept(std::is_nothrow_constructible<_Up, _Args...>::value)
    { ::new((void *)__p) _Up(std::forward<_Args>(__args)...); }

　　/* 显示调用析构函数 */
    template<typename _Up>
    void
    destroy(_Up* __p)
    noexcept(std::is_nothrow_destructible<_Up>::value)
    { __p->~_Up(); }
#else
　　/* 调用placement new，在已分配好的内存上构造对象 */
    void
    construct(pointer __p, const _Tp& __val)
    { ::new((void *)__p) _Tp(__val); }

　　/* 显示调用析构函数 */
    void
    destroy(pointer __p) { __p->~_Tp(); }
#endif
#endif // ! C++20

　　/* 以下重载了“=”和“!=”运算符，不做特殊实现 */
    template<typename _Up>
    friend _GLIBCXX20_CONSTEXPR bool
    operator==(const __new_allocator&, const __new_allocator<_Up>&)
    _GLIBCXX_NOTHROW
    { return true; }

#if __cpp_impl_three_way_comparison < 201907L
    template<typename _Up>
    friend _GLIBCXX20_CONSTEXPR bool
    operator!=(const __new_allocator&, const __new_allocator<_Up>&)
    _GLIBCXX_NOTHROW
    { return false; }
#endif

private:
    _GLIBCXX_CONSTEXPR size_type
    _M_max_size() const _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT;
}

以上代码裁剪了源码的部分实现，加入个人注释理解。空间配置器的重点在于内存的分配和释放，对象的构造和析构，new_allocator对此仅用operator new、operator delete、placement new做简单封装。

上述代码中rebind 的定义是stl中的一个特点，所有的空间配置器都实现了类似如下的定义

template<typename _Tp1>
struct rebind
{ typedef __new_allocator<_Tp1> other; };

其作用在于，实现对不同类型采用同一内存分配策略的需求。

空间配置器作为容器的模板参数，容器只知其形参名而不知其具体的内存配置策略如何，当容器需要对另一类型采用同样的内存配置策略时，此时就可以采用rebind，获取到其所需另一类型的，符合同一内存分配策略的空间配置器

std::allcoator<T>::rebind<U>::other等价于std::allcoator<U>。

allocate的实现如下

template<typename _Tp1>
struct rebind
{ typedef __new_allocator<_Tp1> other; };

_GLIBCXX_NODISCARD _Tp*
allocate(size_type __n, const void* = static_cast<const void*>(0))
{
#if __cplusplus >= 201103L
    /* 静态断言，编译期间检查类型大小 */
     static_assert(sizeof(_Tp) != 0, "cannot allocate incomplete types");
#endif

    /* GCC 提供的分支预测 */
    if (__builtin_expect(__n > this->_M_max_size(), false))
    {
        if (__n > (std::size_t(-1) / sizeof(_Tp)))
          std::__throw_bad_array_new_length();
        std::__throw_bad_alloc();
    }

#if __cpp_aligned_new
    /* 当类型对齐后的大小大于系统默认内存对齐大小，采用
    * void* operator new ( std::size_t count, std::align_val_t al) 作为内存申请的接口
    */
    if (alignof(_Tp) > __STDCPP_DEFAULT_NEW_ALIGNMENT__)
    {
        std::align_val_t __al = std::align_val_t(alignof(_Tp));
        return static_cast<_Tp*>(_GLIBCXX_OPERATOR_NEW(__n * sizeof(_Tp),
                               __al));
    }
#endif
    return static_cast<_Tp*>(_GLIBCXX_OPERATOR_NEW(__n * sizeof(_Tp)));
}

• __builtin_expect（exp, x） 是GCC的一个内建函数，用于分支预测，提高性能（处理if else分支时，前面分支的汇编指令会先装载，后面分支的指令需要通过JMP指令才能访问，JMP访问比前者更耗时间，大量的JMP访问会有性能开销，因此，采用分支预测，CPU提前装载执行概率更高的指令，提高性能）。

　　__builtin_expect（exp, x）期望的表达式exp==x，当x=0时，if分支执行的可能性小，否则else分支执行的可能性小。函数的范围值为exp。

• __STDCPP_DEFAULT_NEW_ALIGNMENT__ 是 operator new 操作对齐值的阈值，超过这个值，operator new将无法保证分配的内存满足对齐要求，此时可用 void* operator new ( std::size_t count, std::align_val_t al) 作为内存申请的接口，该接口为C++17实现。接口将强行使用指定的参数作为内存对齐的大小分配内存。

• alignof(_Tp)运算符用于计算类型的内存对齐大小。std::align_val_t 为枚举类型，定义如：enum class align_val_t: size_t {}; 域化枚举，并指定类型为size_t。

deallocate的实现如下

void
deallocate(_Tp* __p, size_type __n __attribute__ ((__unused__)))
{
#if __cpp_sized_deallocation
# define _GLIBCXX_SIZED_DEALLOC(p, n) (p), (n) * sizeof(_Tp)
#else
# define _GLIBCXX_SIZED_DEALLOC(p, n) (p)
#endif

#if __cpp_aligned_new
    if (alignof(_Tp) > __STDCPP_DEFAULT_NEW_ALIGNMENT__)
    {
        _GLIBCXX_OPERATOR_DELETE(_GLIBCXX_SIZED_DEALLOC(__p, __n),
                 std::align_val_t(alignof(_Tp)));
        return;
    }
#endif
    _GLIBCXX_OPERATOR_DELETE(_GLIBCXX_SIZED_DEALLOC(__p, __n));
}

其中几个宏的定义如下

#if __has_builtin(__builtin_operator_new) >= 201802L
# define _GLIBCXX_OPERATOR_NEW __builtin_operator_new
# define _GLIBCXX_OPERATOR_DELETE __builtin_operator_delete
#else
# define _GLIBCXX_OPERATOR_NEW ::operator new
# define _GLIBCXX_OPERATOR_DELETE ::operator delete
#endif

_M_max_size的实现如下

_GLIBCXX_CONSTEXPR size_type
_M_max_size() const _GLIBCXX_USE_NOEXCEPT
{
#if __PTRDIFF_MAX__ < __SIZE_MAX__
    return std::size_t(__PTRDIFF_MAX__) / sizeof(_Tp);
#else
    return std::size_t(-1) / sizeof(_Tp);
#endif
}

四、malloc_allocator

malloc_allocator的实现与new allocator实现类似，区别在于调用的接口不同，malloc_allocator封装的接口为std::malloc和std::free。此空间配置器不做源码分析。

本系列章节所分析的源码基于gcc-master，源码路径mirrors / gcc-mirror / gcc · GitCode。博客内容仅做学习记录分享。