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1、STL中的空间配置器
在STL中，空间配置器分了2组，分别为一级空间配置器和二级空间配置器，但是它们都有自己各自运用的场合；一般说来，一级空间配置器一般分配的空间大于128B，二级空间配置器的分配空间为小于128B.
其中SGI 中的STL的空间配置器设计哲学如下：
(1)、向system heap要求申请空间
(2)、考虑多线程的状态
(3)、考虑内存不足时的应变措施
(4)、考虑过多"小型区块"可能造成的内存碎片问题
在剖析源码时，为了将问题控制在一定的复杂度内，以下源码皆排除多线程状态的处理；
0：表示非多线程版本； inst : 表示不关注多线程的问题；
2、一级空间配置器
(1)、为内存不足做好准备 : (1)、抛出异常，也就是输出一句话；(2)、调用自己设置的函数去处理(比如说是释放一些空间，回收一些碎片的空间)；
一级空间配置器的本质：模仿实现了set_new_handler机制；
set_new_handler机制的实现：(1)、定义一个函数指针；(2)、定义一个函数；(3)、赋值比较；
(2)、抽取的代码实现
#if 1
#include<iostream>
#include<new>
#include<malloc.h>
using namespace std;
//#define __THROW_BAD_ALLOC throw bad_alloc
#define __THROW_BAD_ALLOC cerr<<"Throw bad alloc, Out Of Memory."<<endl; exit(1) //定义异常,就是输出一句话,并且结束程序.
#elif !defined (__THROW_BAD_ALLOC) //如果没有定义这个异常,下面就定义
#include<iostream.h>
#define __THROW_BAD_ALLOC cerr<<"out of memory"<<endl; exit(1);
#endif
template<int inst>
class __malloc_alloc_template{
private:
static void* oom_malloc(size_t); //对申请空间失败的处理函数
static void* oom_realloc(void *, size_t); //对扩展空间失败处理的函数
static void(* __malloc_alloc_oom_handler)(); //定义一个函数指针
public:
static void* allocate(size_t n){ //分配空间
void *result = malloc(n);
if(0 == result)
result = oom_malloc(n); //分配空间失败，调用oom_malloc()函数
return result; //将申请的空间的地址返回
}
static void deallocate(void *p, size_t){
free(p); //释放空间
}
static void* reallocate(void *p, size_t, size_t new_sz){
void *result = realloc(p, new_sz); //扩展新空间;
if(0 == result) //扩展失败
oom_realloc(p,new_sz); //调用扩展空间失败的处理函数
return result;
}
public:
//set_new_handler(Out_Of_Memory);
static void(*set_malloc_handler(void(*f)()))(){ //这是一个指针函数,函数名称:set_malloc_handler,参数:是一个函数指针,返回值:是一个函数指针;
void(*old)() = __malloc_alloc_oom_handler; //将原有空间的地址保存在old中;
__malloc_alloc_oom_handler = f; //将自己定义的函数地址给__malloc_alloc_oom_handler;
return old; //每次可以保存其上一次的地址.
}
};
template<int inst>
void (*__malloc_alloc_template<inst>::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0; //对定义的静态函数指针初始化为0;
template<int inst>
void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n){ //处理空间失败的问题
void *result;
void(* my_malloc_handler)(); //定义一个函数指针;
for(;;){
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;
if(0 == my_malloc_handler){ //自己没有定义处理空间失败的新函数
__THROW_BAD_ALLOC; //异常抛出;程序终止;
}
(*my_malloc_handler)(); //调用自己编写的处理函数(一般都是回收空间之类的);
result = malloc(n); //在此申请分配空间
if(result){ //申请成功
return result; //将地址返回;
}//那么，这个程序将会一直持续到空间分配成功才最终返回.
}
}
template<int inst>
void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_realloc(void *p, size_t n){
void(*my_malloc_handler)(); //函数指针
void *result;
for(;;){
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler; //将这个给其赋值
if(0 == my_malloc_handler){ //外面没有定义处理的函数
__THROW_BAD_ALLOC; //异常抛出,程序结束.
}
(*my_malloc_handler)(); //调用自己编写的处理函数(一般都是回收空间之类的);
result = realloc(p, n); //再次扩展空间分配;
if(result){ //扩展成功,就返回
return result;
} //一直持续成功，知道扩展空间分配成功才返回;
}
}
typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc; //一级空间配置器:malloc_alloc;第一级空间配置器就是 : (1)、对malloc、free的简单封装；(2)、模拟C++的set_new_handler()已处理内存不足的情况；
总结 :
(1)、一级空间配置器其实就是先自己开辟空间，要是失败了;
(2)、调用处理空间失败的函数，在其内部，先看我们自己在外面有没有写针对这个的处理函数，要是没写，就是异常抛出，程序结束；
(3)、要是写了，就调用我们自己写的函数，在次分配空间，进入死循环中，直到空间分配成功，方可退出循环;
还要注意的是:static void(*set_malloc_handler(void(*f)()))()；这是一个指针函数;
3、二级空间配置器
(1)、当所分配的空间小于128B时，则以内存池去管理 ; 对小额区块，自动将内存调至8的倍数,并维护16个自由链表,各自管理大小分别为: 8 16 24 32 40 48 56 ....128B的小额区块;
(2)、刚开始所分配的内存空间，一半当做自由链表，一半当做内存池；当再次分配同样大小的空间时，直接先从自由链表中分配；当再次分配其他大小空间时，先看内存池中有无空间,有的话，直接分配，挂载即可。
模型如下：
整个分配空间都是很节省化的:
其抽取代码如下：
//二级空间配置器由自由链表和内存池组成;
enum {__ALIGN = 8}; //一块链表8B
enum {__MAX_BYTES = 128}; //小于128B调用二级的
enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN}; //一共分配16个自由链表,负责16种次分配能力.
template<bool threads, int inst> //不考虑多线程状态;
class __default_alloc_template{
public:
static void* allocate(size_t n); //分配空间
static void deallocate(void *p, size_t n); //销毁空间
static void* reallocate(void *p, size_t, size_t new_sz); //扩展空间
private:
static size_t ROUND_UP(size_t bytes){ //向上调整函数;
return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN-1)); //调为当前字节是8的整数倍.
}
private:
union obj{ //共用体
union obj * free_list_link; //自由链表的指向
char client_data[1];
};
private:
static obj* volatile free_list[__NFREELISTS]; //定义了一个指针数组;
static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes){ //求当前字节的自由链表的下标;
return ((bytes)+__ALIGN-1) / __ALIGN-1;
}
private:
static char *start_free; //开始空间的下标
static char *end_free; //结束空间的下标
static size_t heap_size; //堆空间大小
static void *refill(size_t n); //填充函数
static char* chunk_alloc(size_t size, int &nobjs); //
};
template<bool threads, int inst> //以下都是对静态变量的初始化,都为0;
char* __default_alloc_template<threads, inst>::start_free = 0;
template<bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template<threads, inst>::end_free = 0;
template<bool threads, int inst>
size_t __default_alloc_template<threads, inst>::heap_size = 0;
template<bool threads, int inst>
typename __default_alloc_template<threads, inst>::obj* volatile
__default_alloc_template<threads, inst>::free_list[__NFREELISTS] =
{0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
template<bool threads, int inst>
void* __default_alloc_template<threads, inst>::allocate(size_t n){ //分配空间的函数
obj * volatile *my_free_list;
obj *result;
if(n > __MAX_BYTES){ //分配空间的大小大于128B的话，就调用一级空间配置器
return malloc_alloc::allocate(n);
}
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); //free_list是二维数组名称,找往哪个链下挂；
result = *my_free_list; //取出其值,因为my_free_list是二阶指针;
if(result == 0){ //没有内存池空间;
void *r = refill(ROUND_UP(n)); //调用refill()函数
return r;
}
*my_free_list = result->free_list_link; //进行挂载连接;
return result;
}
template<bool threads, int inst>
void* __default_alloc_template<threads, inst>::refill(size_t n){ //没有可用区块时,就调用refill()函数;
int nobjs = 20;//就是要分20块;
char *chunk = chunk_alloc(n, nobjs); //调用内存池函数;
obj * volatile *my_free_list;
obj *result;
obj *current_obj, *next_obj;
int i;
if(1 == nobjs){ //当分配到只有一块空间时,直接返回.
return chunk;
}
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); //找到对应的下标，进行连接的工作;
result = (obj*)chunk;
*my_free_list = next_obj = (obj*)(chunk+n);
for(i=1; ; ++i){
current_obj = next_obj;
next_obj = (obj*)((char*)next_obj+n);
if(nobjs - 1 == i){ //进行连接工作;
current_obj->free_list_link = 0;
break;
}else{
current_obj->free_list_link = next_obj;
}
}
return result;
}
template<bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template<threads, inst>::chunk_alloc(size_t size, int &nobjs){ //内存池函数
char *result; //关键要明白以下的各种情况;
size_t total_bytes = size * nobjs; //这里的size已经是上调过的字节;求取20*size个字节的大小
size_t bytes_left = end_free - start_free; //刚开始，遗留字节为0;
if(bytes_left >= total_bytes){ //不成立
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}else if(bytes_left >= size){ //不成立
nobjs = bytes_left / size;
total_bytes = size * nobjs;
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}else{ //走的就是下面的这条路线
size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4); //申请2倍的total_bytes；
if(bytes_left > 0){ //遗留字节数=0,所以这条语句不成立;
obj * volatile * my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list;
*my_free_list = (obj *)start_free;
}
start_free = (char *)malloc(bytes_to_get); //申请空间;
if(0 == start_free){
int i;
obj * volatile *my_free_list, *p;
for(i=size; i<=__MAX_BYTES; i += __ALIGN){
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
p = *my_free_list;
if(0 != p){
*my_free_list = p->free_list_link;
start_free = (char *)p;
end_free = start_free + i;
return chunk_alloc(size, nobjs);
}
}
end_free = 0;
start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
}
heap_size += bytes_to_get; //记录此时堆空间的大小;
end_free = start_free + bytes_to_get; //指向了最后;
return chunk_alloc(size, nobjs); //上去在此调用这个函数;
}
}nobjs = 20; 这个是经验值，开辟空间留有余地，方便直接查找，以后就不用再次开辟空间了，提高了效率;
这个我们自己给不同的字节情况(小于128B的)，就会知道其中发生了什么;
SGI第二级空间配置器：
(1)、维护16个自由链表，分别有16种小型区块的配置能力；如果内存不足，调用一级空间配置器(那里有处理程序);
(2)、如果申请空间的需求大于128B,就调用一级空间配置器.
总结:
(1)、二级空间配置器(最后山穷水尽)--->调用一级空间配置器---->(1)、抛出异常 (2)、调用自己编写的处理函数；
STL内存配置思想：C++STL是两级配置内存的，具体来说：第一级负责管理大块内存，要保证有类似new-handler的机制；第二级负责管理小块内存，为了更好的管理内存碎片，建立16个链表，每个链表“穿”着一块一块固定大小的内存，这16个链表（0至15）分别“穿”的内存是8、16、24…128倍数关系。需要内存时，从“合适”的链表取走(因为这里情况比较多，不能一一说道了)，如果“合适”的链表内存不够用了，从内存池里拿，如果内存池不够用了，从运行时heap里拿，如果heap也溢出了，就交给第一级配置器，因为它有set_new-handler机制。所以，当堆上的东西用完之后，的赶紧还回来。
4、完整代码、测试代码、测试结果
(1)、抽取出来的完整代码
#if 1
#include<iostream>
#include<new>
#include<malloc.h>
using namespace std;
//#define __THROW_BAD_ALLOC throw bad_alloc
#define __THROW_BAD_ALLOC cerr<<"Throw bad alloc, Out Of Memory."<<endl; exit(1) //定义异常,就是输出一句话,并且结束程序.
#elif !defined (__THROW_BAD_ALLOC) //如果没有定义这个异常,下面就定义
#include<iostream.h>
#define __THROW_BAD_ALLOC cerr<<"out of memory"<<endl; exit(1);
#endif
template<int inst>
class __malloc_alloc_template{
private:
static void* oom_malloc(size_t); //对申请空间失败的处理函数
static void* oom_realloc(void *, size_t); //对扩展空间失败处理的函数
static void(* __malloc_alloc_oom_handler)(); //定义一个函数指针
public:
static void* allocate(size_t n){ //分配空间
void *result = malloc(n);
if(0 == result)
result = oom_malloc(n); //分配空间失败，调用oom_malloc()函数
return result; //将申请的空间的地址返回
}
static void deallocate(void *p, size_t){
free(p); //释放空间
}
static void* reallocate(void *p, size_t, size_t new_sz){
void *result = realloc(p, new_sz); //扩展新空间;
if(0 == result) //扩展失败
oom_realloc(p,new_sz); //调用扩展空间失败的处理函数
return result;
}
public:
//set_new_handler(Out_Of_Memory);
static void(*set_malloc_handler(void(*f)()))(){ //这是一个指针函数,函数名称:set_malloc_handler,参数:是一个函数指针,返回值:是一个函数指针;
void(*old)() = __malloc_alloc_oom_handler; //将原有空间的地址保存在old中;
__malloc_alloc_oom_handler = f; //将自己定义的函数地址给__malloc_alloc_oom_handler;
return old; //每次可以保存其上一次的地址.
}
};
template<int inst>
void (*__malloc_alloc_template<inst>::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0; //对定义的静态函数指针初始化为0;
template<int inst>
void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n){ //处理空间失败的问题
void *result;
void(* my_malloc_handler)(); //定义一个函数指针;
for(;;){
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;
if(0 == my_malloc_handler){ //自己没有定义处理空间失败的新函数
__THROW_BAD_ALLOC; //异常抛出;程序终止;
}
(*my_malloc_handler)(); //调用自己编写的处理函数(一般都是回收空间之类的);
result = malloc(n); //在此申请分配空间
if(result){ //申请成功
return result; //将地址返回;
}//那么，这个程序将会一直持续到空间分配成功才最终返回.
}
}
template<int inst>
void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_realloc(void *p, size_t n){
void(*my_malloc_handler)(); //函数指针
void *result;
for(;;){
my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler; //将这个给其赋值
if(0 == my_malloc_handler){ //外面没有定义处理的函数
__THROW_BAD_ALLOC; //异常抛出,程序结束.
}
(*my_malloc_handler)(); //调用自己编写的处理函数(一般都是回收空间之类的);
result = realloc(p, n); //再次扩展空间分配;
if(result){ //扩展成功,就返回
return result;
} //一直持续成功，知道扩展空间分配成功才返回;
}
}
typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc; //一级空间配置器:malloc_alloc;
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//二级空间配置器由自由链表和内存池组成;
enum {__ALIGN = 8}; //一块链表8B
enum {__MAX_BYTES = 128}; //小于128B调用二级的
enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN}; //一共分配16个自由链表,负责16种次分配能力.
template<bool threads, int inst> //不考虑多线程状态;
class __default_alloc_template{
public:
static void* allocate(size_t n); //分配空间
static void deallocate(void *p, size_t n); //销毁空间
static void* reallocate(void *p, size_t, size_t new_sz); //扩展空间
private:
static size_t ROUND_UP(size_t bytes){ //向上调整函数;
return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN-1)); //调为当前字节是8的整数倍.
}
private:
union obj{ //共用体
union obj * free_list_link; //自由链表的指向
char client_data[1];
};
private:
static obj* volatile free_list[__NFREELISTS]; //定义了一个指针数组;
static size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes){ //求当前字节的自由链表的下标;
return ((bytes)+__ALIGN-1) / __ALIGN-1;
}
private:
static char *start_free; //开始空间的下标
static char *end_free; //结束空间的下标
static size_t heap_size; //堆空间大小
static void *refill(size_t n); //填充函数
static char* chunk_alloc(size_t size, int &nobjs); //
};
template<bool threads, int inst> //以下都是对静态变量的初始化,都为0;
char* __default_alloc_template<threads, inst>::start_free = 0;
template<bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template<threads, inst>::end_free = 0;
template<bool threads, int inst>
size_t __default_alloc_template<threads, inst>::heap_size = 0;
template<bool threads, int inst>
typename __default_alloc_template<threads, inst>::obj* volatile
__default_alloc_template<threads, inst>::free_list[__NFREELISTS] =
{0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
template<bool threads, int inst>
void* __default_alloc_template<threads, inst>::allocate(size_t n){ //分配空间的函数
obj * volatile *my_free_list;
obj *result;
if(n > __MAX_BYTES){ //分配空间的大小大于128B的话，就调用一级空间配置器
return malloc_alloc::allocate(n);
}
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); //free_list是二维数组名称,找往哪个链下挂；
result = *my_free_list; //取出其值,因为my_free_list是二阶指针;
if(result == 0){ //没有内存池空间;
void *r = refill(ROUND_UP(n)); //调用refill()函数
return r;
}
*my_free_list = result->free_list_link; //进行挂载连接;
return result;
}
template<bool threads, int inst>
void* __default_alloc_template<threads, inst>::refill(size_t n){ //没有可用区块时,就调用refill()函数;
int nobjs = 20;//就是要分20块;
char *chunk = chunk_alloc(n, nobjs); //调用内存池函数;
obj * volatile *my_free_list;
obj *result;
obj *current_obj, *next_obj;
int i;
if(1 == nobjs){ //当分配到只有一块空间时,直接返回.
return chunk;
}
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n); //找到对应的下标，进行连接的工作;
result = (obj*)chunk;
*my_free_list = next_obj = (obj*)(chunk+n);
for(i=1; ; ++i){
current_obj = next_obj;
next_obj = (obj*)((char*)next_obj+n);
if(nobjs - 1 == i){ //进行连接工作;
current_obj->free_list_link = 0;
break;
}else{
current_obj->free_list_link = next_obj;
}
}
return result;
}
template<bool threads, int inst>
char* __default_alloc_template<threads, inst>::chunk_alloc(size_t size, int &nobjs){ //内存池函数
char *result; //关键要明白以下的各种情况;
size_t total_bytes = size * nobjs; //这里的size已经是上调过的字节;求取20*size个字节的大小
size_t bytes_left = end_free - start_free; //刚开始，遗留字节为0;
if(bytes_left >= total_bytes){ //不成立
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}else if(bytes_left >= size){ //不成立
nobjs = bytes_left / size;
total_bytes = size * nobjs;
result = start_free;
start_free += total_bytes;
return result;
}else{ //走的就是下面的这条路线
size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4); //申请2倍的total_bytes；
if(bytes_left > 0){ //遗留字节数=0,所以这条语句不成立;
obj * volatile * my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);
((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list;
*my_free_list = (obj *)start_free;
}
start_free = (char *)malloc(bytes_to_get); //申请空间;
if(0 == start_free){
int i;
obj * volatile *my_free_list, *p;
for(i=size; i<=__MAX_BYTES; i += __ALIGN){
my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);
p = *my_free_list;
if(0 != p){
*my_free_list = p->free_list_link;
start_free = (char *)p;
end_free = start_free + i;
return chunk_alloc(size, nobjs);
}
}
end_free = 0;
start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);
}
heap_size += bytes_to_get; //记录此时堆空间的大小;
end_free = start_free + bytes_to_get; //指向了最后;
return chunk_alloc(size, nobjs); //上去在此调用这个函数;
}
}(2)、测试代码
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include"stl_alloc.h"
using namespace std;
int main(){
int *p = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int));
int *s = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int) * 4);
int *t = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int) * 80);
int *m = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(double) * 10);
int *n = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int) * 100);
int *u = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int));
int *k = (int *)__default_alloc_template<0,0>::allocate(sizeof(int) *2);
return 0;
}
/*
void Out_Of_Memory(){
cout<<"Out Of Memory."<<endl;
exit(1);
}
int main(){
//__malloc_alloc_template<0>::set_malloc_handler(OMG);
//set_new_handler()
//int *p = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
void (*pfun)() = __malloc_alloc_template<0>::set_malloc_handler(Out_Of_Memory);
int *p = (int*)__malloc_alloc_template<0>::allocate(sizeof(int) * 2073741824);
__malloc_alloc_template<0>::set_malloc_handler(pfun);
if(p == NULL)
{
cout<<"Error."<<endl;
exit(1);
}
cout<<"OK"<<endl;
return 0;
}
*/(3)、测试结果
5、STL中的不成文规定
__打头的是内部函数
一般都是前插
指最后的下一个
fill_n() 系统函数，填充空间;
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