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自己动手实现STL 01：内存配置器的实现(stl_alloc.h)
一、前言
在STL中，容器是其中的重中之重，基本的STL中的算法，仿函数等都是围绕着容器实现的功能。而，内存配置器，是容器的实现的基础。所以，我第一次要去编写便是内存配置器的实现。在STL中，内存配置器的实现是在stl_alloc.h中。
二、配置器原理简要介绍
在SGI STL中配置分为两级，第一级配置器和第二级配置器。两者关系如下：
图1:第一级配置器和第二级配置器
在SGI STL中内存的配置器分为两级，第一级配置器和第二级配置器。第一级配置器就是，直接调用系统的malloc分配内存。对于小于128byte的内存分配请求，我们使用第二级内存配置器。第二级内存配置器是一个内存池，其中共有16个已分配好的区块形成的链表。这16个链表的中区块的大小依次是8，16，24....128byte，都8的倍数。每次请求小于等于128byte时，把请求的大小上调到最接近的8的倍数，比如，7就上调为8，30就上调为32，然后找到对应大小区块的链表，从中取下一个区块返回给请求。
第二级配置器使用内存池的好处就是，可以避免太多小额区块造成的内存破碎。同时，每次分配内存都需要调用malloc去分配，malloc调用的消耗的时间等资源是一定的，对于大区块的分配这样的消耗的时间等资源，是没有什么的。但是对于小额区块的，它的消耗就显得太不值的了。我们可以采用一次预分配一块连续的大区块，把它串成一个定额大小的区块链表，(8的倍数字节)，下次使用的时候，从对应预分配的区块链表中找一个能够满足大小的，最接近的区块直接返回给请求，这样就可以避免对于小区块的malloc调用。同时对于小区块的释放，可以直接把它加入到内存池中对应大小的链表中即可。
图2：把连续大区块串成小额区块
在第二级配置器中维持一个free_list[16]数组，其中存储着8-128byte各种大小区块的链表的头节点地址。
图3：free_list[16]结构
每次分配只要从适当大小的链表中取出第一个节点，返回给请求，让free_list对应的位置的保存链表的下一个节点地址。释放的时候，对于小于等于128byte的区块，只要把它插入对应大小区块链表的头，然后调整保存的链表头结点的地址就可以了。当需求大小区块的使用完了的时候，可以利用malloc一次分配适当大小的大区块，然后把它分割为对应大小的小区块，在把它们串联起来形成链表，把第一个节点地址存入对应的free_list的位置中。
三、实现源代码
上面只是配置器的简介，在源码中有详细的注释。源码如下：
1 /************************************************************************* 2 > File Name: stl_alloc_wjzh.h 3 > Author: wjzh 4 > Mail: wangjzh_1@163.com 5 > Created Time: 2014年10月31日 星期五 16时06分23秒 6 ************************************************************************/ 7 8 #ifndef __SGI_STL_INTERNAL_ALLOC_WJZH_H 9 #define __SGI_STL_INTERNAL_ALLOC_WJZH_H 10 11 #ifdef __SUNPRO_CC 12 # define __PRIVATE public 13 #else 14 # define __PRIVATE private 15 #endif 16 17 #ifdef __STL_STATIC_TEMPLATE_MEMBER_BUG 18 # define __USE_MALLOC 19 #endif 20 21 #if 0 22 # include <new> 23 # define __THROW_BAD_ALLOC throw bad_alloc 24 #elif !defined(__THROW_BAD_ALLOC) 25 //# include <iostream.h> 26 #include <iostream> 27 # define __THROW_BAD_ALLOC std::cerr << "out of memory" << std::endl; exit(1) 28 #endif 29 30 #ifndef __ALLOC 31 # define __ALLOC alloc 32 #endif 33 #ifdef __STL_WIN32THREADS 34 # include <windows.h> 35 #endif 36 37 #include <stddef.h> 38 #include <stdlib.h> 39 #include <string.h> 40 #include <assert.h> 41 #ifndef __RESTRICT 42 # define __RESTRICT 43 #endif 44 45 #if !defined(__STL_PTHREADS) && !defined(_NOTHREADS) 46 && !defined(__STL_SGI_THREADS) && !defined(__STL_WIN32THREADS) 47 # define _NOTHREADS 48 #endif 49 50 #ifdef __STL_PTHREADS 51 # include <pthread.h> 52 # define __NODE_ALLOCATOR_LOCK 53 if (threads) pthread_mutex_lock(&__node_allocator_lock) 54 # define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK 55 if (threads) pthread_mutex_unlock(&__node_allocator_lock) 56 # define __NODE_ALLOCATOR_THREADS true 57 # define __VOLATILE volatile 58 # endif 59 # ifdef __STL_WIN32THREADS 60 # define __NODE_ALLOCATOR_LOCK 61 EnterCriticalSection(&__node_allocator_lock) 62 # define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK 63 LeaveCriticalSection(&__node_allocator_lock) 64 # define __NODE_ALLOCATOR_THREADS true 65 # define __VOLATILE volatile 66 # endif 67 68 # ifdef __STL_SGI_THREADS 69 extern "C" { 70 extern int __us_rsthread_malloc; 71 } 72 # define __NODE_ALLOCATOR_LOCK if (threads && __us_rsthread_malloc) 73 { __lock(&__node_allocator_lock); } 74 # define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK if(threads && __us_rsthread_malloc) 75 { __unlcok(&__node_allocator_lock); } 76 # define __NODE_ALLOCATOR_THREADS true 77 # define __VOLATILE volatile 78 # endif 79 80 # ifdef _NOTHREADS 81 # define __NODE_ALLOCATOR_LOCK 82 # define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK 83 # define __NODE_ALLOCATOR_THREADS false 84 # define __VOLATILE 85 # endif 86 87 __STL_BEGIN_NAMESPACE 88 89 #if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32) 90 #pragma set woff 1174 91 #endif 92 93 #ifdef __STL_STATIC_TEMPLATE_MEMBER_BUG 94 # ifdef __DECLARE_GLOBALS_HERE 95 void (* __malloc_alloc_oom_handler)() = 0; 96 #else 97 extern void (* __malloc_alloc_oom_handler)(); 98 # endif 99 #endif100 101 template <int inst>102 class __malloc_alloc_template {103 private:104 static void *oom_malloc(size_t);105 static void *oom_realloc(void *, size_t);106 #ifndef __STL_STATIC_TEMPLATE_MEMBER_BUG107 static void (* __malloc_alloc_oom_handler)();108 #endif109 public:110 static void* allocate(size_t n)111 {112 void *result = malloc(n);113 if (0 == result) result = oom_malloc(n);114 return result;115 }116 117 static void deallocate(void *p, size_t)118 {119 free(p);120 }121 122 static void * reallocate(void *p, size_t , size_t new_sz)123 {124 void *result = realloc(p, new_sz);125 if (0 == result) result = oom_realloc(p, new_sz);126 return result;127 }128 129 static void (* set_malloc_handler(void (*f)()))()130 {131 void (* old)() = __malloc_alloc_oom_handler;132 __malloc_alloc_oom_handler = f;133 return(old);134 }135 136 };137 138 // malloc_alloc out-of-memory handling139 // 分配内存时，没有内存时的处理140 141 #ifndef __STL_STATIC_TEMPLATE_MEMBER_BUG142 template <int inst>143 void (* __malloc_alloc_template<inst>::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0;144 #endif145 146 template <int inst>147 void * __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n)148 {149 void (* my_malloc_handler)();150 void *result;151 for (;;)152 {153 my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;154 if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; }155 (*my_malloc_handler)();156 result = malloc(n);157 if (result) return (result);158 }159 }160 161 template <int inst>162 void * __malloc_alloc_template<inst>::oom_realloc(void *p, size_t n)163 {164 void (* my_malloc_handler)();165 void *result;166 167 for (;;)168 {169 my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;170 if (0 == my_malloc_handler) { __THROW_BAD_ALLOC; }171 (*my_malloc_handler)();172 result = realloc(p, n);173 if (result) return (result);174 }175 }176 177 typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;178 179 template<class T, class Alloc>180 class simple_alloc181 {182 public:183 static T *allocate(size_t n)184 {185 return 0 == n ? 0 : (T*) Alloc::allocate(n * sizeof(T));186 }187 static T *allocate(void)188 {189 return (T*) Alloc::allocate(sizeof(T));190 }191 static void deallocate(T *p, size_t n)192 {193 if (0 != n) Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T));194 }195 static void deallocate(T *p)196 {197 Alloc::deallocate(p, sizeof(T));198 }199 };200 201 // Allocator adaptor to check size arguments for debugging.202 template <class Alloc>203 class debug_alloc204 {205 private:206 enum { extra = 8}; // Size of space used to store size. Note207 // that this must be large enough to preserve208 // alignment.209 210 public:211 static void * allocate(size_t n)212 {213 char *result = (char *)Alloc::allocate(n + extra);214 *(size_t *)result = n; //前size_t大小用来记录result的大小,实际预分配了extra个字节，用来存储大小，215 //但是只用size_t字节，因为不同系统size_t大小不同，8个字节足够满足所有系统了216 return result + extra;217 }218 219 static void deallocate(void *p, size_t n)220 {221 char * real_p = (char *)p - extra;222 assert(*(size_t *)real_p == n);223 Alloc::deallocate(real_p, n + extra);224 }225 226 static void * reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz)227 {228 char * real_p = (char *)p - extra;229 assert(*(size_t *)real_p == old_sz);230 char * result = (char *)231 Alloc::reallocate(real_p, old_sz + extra, new_sz+ extra);232 *(size_t *)result = new_sz;233 return result + extra;234 }235 236 };237 238 #ifdef __USE_MALLOC239 240 typedef malloc_alloc alloc;241 typedef malloc_alloc single_client_alloc;242 243 #else244 245 //下面是第二级配置器246 //主要是维护一个内存池，用来小于128byte的小型区块内存的分配247 //其中，有多个链表，各链表中的node大小从8-128byte,都是8的倍数248 //分配时，不是8的倍数，上调至最近的8的倍数，249 //然后从相应链表中取下一个对应大小的node分配给请求250 #ifdef __SUNPRO_CC251 enum {__ALIGN = 8}; //小型区块的上调边界252 enum {__MAX_BYTES = 128}; //小型区块的上限253 enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES/__ALIGN};254 #endif255 256 //第二级配置器257 template <bool threads, int inst>258 class __default_alloc_template259 {260 private:261 # ifndef __SUNPRO_CC262 enum {__ALIGN = 8}; //小型区块的上调边界263 enum {__MAX_BYTES = 128}; //小型区块的上限264 enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES/__ALIGN};265 # endif266 //大小上调至8的倍数267 static size_t ROUND_UP(size_t bytes)268 {269 return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN - 1));270 }271 __PRIVATE:272 union obj273 {274 union obj * free_list_link; //用于在链表中指向下一个节点275 char client_data[1]; //用于存储实际区块的内存地址，由于这是一个union，很好的节约了这个数据的内存276 };277 private:278 # ifdef __SUNPRO_CC279 static obj * __VOLATILE free_list[];280 # else281 static obj * __VOLATILE free_list[__NFREELISTS];282 # endif283 static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes)284 {285 return (((bytes) + __ALIGN-1)/__ALIGN - 1);286 }287 288 //返回大小为n的对象，并可能加入大小为n的其他区块到free list289 static void *refill(size_t n);290 //配置一块空间，可容纳nobjs个大小为"size"的区块291 //如果配置nobjs个区块有所不便，nobjs可能会降低292 static char *chunk_alloc(size_t size, int &nobjs);293 294 //chunk 分配、配置的状态295 static char *start_free; //内存池起始位置。只在chunk_alloc()中变化296 static char *end_free; //内存池结束位置。只在chunk_alloc()中变化297 static size_t heap_size;298 /*299 # ifdef __STL_SGI_THREADS300 static volatile unsigned long __node_allocator_lock;301 static void __lock(volatile unsigned long *);302 static inline void __unlock(volatile unsigned long *);303 # endif304 */305 306 # ifdef __STL_PTHREADS307 static pthread_mutex_t __node_allocator_lock;308 # endif309 310 # ifdef __STL_WIN32THREADS311 static CRITICAL_SECTION __node_allocator_lock;312 static bool __node_allocator_lock_initialized;313 314 public:315 __default_alloc_template()316 {317 //假定第一个构造函数的调用在线程启动起318 if (!__node_allocator_lock_initialized)319 {320 InitializedCriticalSection(&__node_allocator_lock);321 __node_allocator_lock_initialized = true;322 }323 }324 private:325 # endif326 327 class lock328 {329 public:330 lock() { __NODE_ALLOCATOR_LOCK; }331 ~lock() { __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK; }332 };333 friend class lock;334 public:335 //n必须大于0336 static void * allocate(size_t n)337 {338 obj * __VOLATILE * my_free_list;339 obj * __RESTRICT result;340 341 //需要分配的大小大于二级配置器的__MAX_BYTES，直接使用第一级配置器342 if (n > (size_t) __MAX_BYTES)343 {344 return(malloc_alloc::allocate(n));345 }346 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); //找到比需要分配的大小大，且最接近的大小块所在的链表所在free_list数组中的位置347 348 //如果支持线程,定义lock349 # ifndef _NOTHREADS350 lock lock_instance;351 # endif352 result = *my_free_list; //取出找的对应链表的指向第一个节点的指针353 if (result == 0) //对应的链表中没有剩余未分配的节点区块354 {355 void *r = refill(ROUND_UP(n)); //再从内存池中分配一批，需求大小的区块(实际大小是请求大小上调至8的倍数后的数值),356 //然后，放入对应链表，待分配给请求357 return r;358 }359 //如果对应大小区块的链表中不为空，还有待分配的区块，取出第一个节点360 *my_free_list = result -> free_list_link;361 return (result);362 };363 364 //p不可以是0365 static void deallocate(void *p, size_t n)366 {367 obj *q = (obj *)p;368 obj * __VOLATILE * my_free_list;369 370 //大于区块大小上限的，直接调用第一级配置器释放371 if (n > (size_t) __MAX_BYTES)372 {373 malloc_alloc::deallocate(p, n);374 return;375 }376 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);377 //需要修改my_free_list，如果支持线程，那么需要加上互斥锁378 # ifndef _NOTHREADS379 lock lock_instance;380 # endif381 382 //头插法，插入对应大小的区块链表383 q -> free_list_link = *my_free_list;384 *my_free_list = q;385 //lock是静态对象，到此，将自动析构销毁，在其析构函数中，会释放锁386 }387 388 static void *reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz);389 390 };391 392 typedef __default_alloc_template<__NODE_ALLOCATOR_THREADS, 0> alloc;393 typedef __default_alloc_template<false, 0> single_client_alloc;394 395 396 // 我们从大的chunks中分配内存，是为了避免使用malloc太频繁了397 // 假设size已经适当上调至8的倍数398 // 我持有allocation lock399 // 注意参数objs 是pass by reference400 template <bool threads, int inst>401 char *402 __default_alloc_template<threads, inst>::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs)403 {404 char * result;405 size_t total_bytes = size * nobjs;406 size_t bytes_left = end_free - start_free; //内存池剩余空间407 408 if (bytes_left >= total_bytes)409 {410 //内存池中剩余的空间足够满足需求量411 result = start_free;412 start_free += total_bytes;413 return(result);414 }415 else if (bytes_left >= size)416 {417 //内存池剩余空间不能完全满足需求量，但足够供应一个及以上的区块418 nobjs = bytes_left/size;419 total_bytes = size * nobjs;420 result = start_free;421 start_free += total_bytes;422 return (result);423 }424 else425 {426 //内存池连一个区块的大小都无法满足427 size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);428 //以下试着让内存池中的残余零头还有利用价值429 if (bytes_left > 0)430 {431 //内存池中内还有一些零头，先配给适当的free list432 //首先寻找适当的free list433 obj * __VOLATILE * my_free_list = 434 free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);435 436 //调整free list,将内存池中残余的空间编入437 ((obj *)start_free) -> free_list_link = *my_free_list; 438 *my_free_list = (obj *)start_free;439 }440 441 //配置heap空间，用来补充内存池442 start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);443 if (0 == start_free)444 {445 //如果heap空间不足，malloc()失败446 int i;447 obj * __VOLATILE *my_free_list, *p;448 //试着检视我们手上的东西。这不会造成伤害。我们不打算尝试配置449 //较小的区块，因为那在多线程机器上容易导致灾难450 //以下搜索适当的free list451 //所谓适当是指“尚有未用区块，且区块够大”之free list452 for (i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN)453 {454 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);455 p = *my_free_list;456 if (0 != p)457 {458 //free list内尚有未用区块459 //调整free list以释放出未用的区块到内存池460 *my_free_list = p -> free_list_link;461 start_free = (char *)p;462 end_free = start_free + i;463 // 此时内存池已经有内存了464 // 递归调用自己，为了修正objs465 return chunk_alloc(size, nobjs);466 //注意，任何残余的零头终将被编入适当的free list中备用467 468 }469 }470 end_free = 0; //如果出现意外(山穷水尽，到处都没有内存可用了)471 //调用第一级配置器，看看out-of-memory机制能否尽点力472 start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);473 //这会导致抛出异常，或内存不足的情况获得改善474 }475 heap_size += bytes_to_get;476 end_free = start_free + bytes_to_get;477 //递归调用自己，为了修正objs478 return chunk_alloc(size, nobjs);479 }480 }481 482 483 484 // 返回一个大小为n的对象，并且有时候会为适当的free list 增加节点485 // 假设n已经适当上调至8的倍数486 // 我们持有allocation lock487 template <bool threads, int inst>488 void* __default_alloc_template<threads, inst>::refill(size_t n)489 {490 int nobjs = 20; //默认一次分配20个需求大小的区块491 char * chunk = chunk_alloc(n, nobjs); //chunk是分配的空间的开始地址，令其类型为char *,主要是因为一个char的大小正好是一个byte492 obj * __VOLATILE *my_free_list;493 obj * result;494 obj * current_obj, * next_obj;495 int i;496 497 //如果只获得一个区块，这个区块就分配给调用者,free list 无新节点498 if (1 == nobjs) return chunk;499 //否则准备调整free list，纳入新节点500 my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);501 502 //以下在chunk空间内建立free list503 result = (obj *)chunk; //这一块准备返回给客端504 // 以下导引free list 指向新配置的空间(取自内存池)505 506 //由于chunk是char*，所以加上n，就表示走过n个char，507 //一个char正好是一个byte，所以chunk+n现在指向第二个区块508 *my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + n); 509 for (i = 1; ; ++i)510 {511 // 从1开始，因为第0个将返回给客端512 current_obj = next_obj;513 // 每次移动n个char，正好是n个byte，所以正好指向下个区块514 next_obj = (obj *)((char *)next_obj + n);515 if (nobjs - 1 == i)516 {517 // 已经遍历完，此时next_obj指向的内存已经超出我们分配的大小了518 // 不属于我们的内存519 current_obj -> free_list_link = 0;520 break;521 }522 else523 {524 current_obj -> free_list_link = next_obj;525 }526 }527 return result;528 }529 530 531 template<bool threads, int inst>532 void*533 __default_alloc_template<threads, inst>::reallocate(void *p,534 size_t old_sz,535 size_t new_sz)536 {537 void * result;538 size_t copy_sz;539 540 if (old_sz > (size_t) __MAX_BYTES && new_sz > (size_t) __MAX_BYTES)541 {542 return realloc(p, new_sz);543 }544 if (ROUND_UP(old_sz) == ROUND_UP(new_sz)) return p;545 result = allocate(new_sz);546 copy_sz = new_sz > old_sz ? old_sz : new_sz;547 memcpy(result, p, copy_sz);548 deallocate(p, old_sz);549 return result;550 551 }552 553 #ifdef __STL_PTHREADS554 template <bool threads,int inst>555 pthread_mutex_t556 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock557 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;558 #endif559 560 #ifdef __STL_WIN32THREADS561 template <bool threads, int inst> CRITICAL_SECTION562 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock;563 564 template <bool threads, int inst> bool565 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock_initialized566 = false;567 #endif568 569 //省略了通用lock的实现(即不使用pthread，也没有win32thread)570 571 template <bool threads, int inst>572 char *__default_alloc_template<threads, inst>::start_free = 0; //设置初始值573 574 template <bool threads, int inst>575 char *__default_alloc_template<threads, inst>::end_free = 0; //设置初始值576 577 template <bool threads, int inst>578 size_t __default_alloc_template<threads, inst>::heap_size = 0; //设置初始值579 580 //初始化16种大小的区块链表为空581 template <bool threads, int inst>582 typename __default_alloc_template<threads, inst>::obj * __VOLATILE583 __default_alloc_template<threads, inst>::free_list[584 # ifdef __SUNPRO_CC585 __NFREELISTS586 # else587 __default_alloc_template<threads, inst>::__NFREELISTS588 # endif589 ] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, };590 591 # ifdef __STL_WIN32THREADS592 // Create one to get critical section initialized.593 // We do this onece per file, but only the first constructor594 // does anything.595 static alloc __node_allocator_dummy_instance;596 # endif597 598 # endif /* ! __USE_MALLOC */599 600 #if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)601 #pragma reset woff 1174602 #endif603 604 __STL_END_NAMESPACE605 606 #undef __PRIVATE607 608 #endif /* __SGI_STL_INTERNAL_ALLOC_WJZH_H */609 610 //End
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