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: [email protected]
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 #endif
100
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_BUG
107 static void (* __malloc_alloc_oom_handler)();
108 #endif
109 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 handling
139 // 分配内存时，没有内存时的处理
140
141 #ifndef __STL_STATIC_TEMPLATE_MEMBER_BUG
142 template <int inst>
143 void (* __malloc_alloc_template<inst>::__malloc_alloc_oom_handler)() = 0;
144 #endif
145
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_alloc
181 {
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_alloc
204 {
205 private:
206 enum { extra = 8}; // Size of space used to store size. Note
207 // that this must be large enough to preserve
208 // 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_MALLOC
239
240 typedef malloc_alloc alloc;
241 typedef malloc_alloc single_client_alloc;
242
243 #else
244
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_CC
251 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 #endif
255
256 //第二级配置器
257 template <bool threads, int inst>
258 class __default_alloc_template
259 {
260 private:
261 # ifndef __SUNPRO_CC
262 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 # endif
266 //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 obj
273 {
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_CC
279 static obj * __VOLATILE free_list[];
280 # else
281 static obj * __VOLATILE free_list[__NFREELISTS];
282 # endif
283 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 list
289 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_THREADS
300 static volatile unsigned long __node_allocator_lock;
301 static void __lock(volatile unsigned long *);
302 static inline void __unlock(volatile unsigned long *);
303 # endif
304 */
305
306 # ifdef __STL_PTHREADS
307 static pthread_mutex_t __node_allocator_lock;
308 # endif
309
310 # ifdef __STL_WIN32THREADS
311 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 # endif
326
327 class lock
328 {
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0
336 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lock
349 # ifndef _NOTHREADS
350 lock lock_instance;
351 # endif
352 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0
365 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 _NOTHREADS
379 lock lock_instance;
380 # endif
381
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 lock
399 // 注意参数objs 是pass by reference
400 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 else
425 {
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 list
432 //首先寻找适当的free list
433 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 list
451 //所谓适当是指“尚有未用区块，且区块够大”之free list
452 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objs
465 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objs
478 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 lock
487 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byte
492 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 list
503 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 else
523 {
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_PTHREADS
554 template <bool threads,int inst>
555 pthread_mutex_t
556 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock
557 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
558 #endif
559
560 #ifdef __STL_WIN32THREADS
561 template <bool threads, int inst> CRITICAL_SECTION
562 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock;
563
564 template <bool threads, int inst> bool
565 __default_alloc_template<threads, inst>::__node_allocator_lock_initialized
566 = false;
567 #endif
568
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 * __VOLATILE
583 __default_alloc_template<threads, inst>::free_list[
584 # ifdef __SUNPRO_CC
585 __NFREELISTS
586 # else
587 __default_alloc_template<threads, inst>::__NFREELISTS
588 # endif
589 ] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, };
590
591 # ifdef __STL_WIN32THREADS
592 // Create one to get critical section initialized.
593 // We do this onece per file, but only the first constructor
594 // does anything.
595 static alloc __node_allocator_dummy_instance;
596 # endif
597
598 # endif /* ! __USE_MALLOC */
599
600 #if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)
601 #pragma reset woff 1174
602 #endif
603
604 __STL_END_NAMESPACE
605
606 #undef __PRIVATE
607
608 #endif /* __SGI_STL_INTERNAL_ALLOC_WJZH_H */
609
610 //End
时间： 2024-12-21 16:44:42