内容简介：揭秘——STL空间配置器
为什么要有空间配置器呢？ 这主要是从两个方面来考虑的。
1、小块内存带来的内存碎片问题
单从分配的角度来看。由于频繁分配、释放小块内存容易在堆中造成外碎片(极端情况下就是堆中空闲的内存总量满足一个请求，但是这些空闲的块都不连续，导致任何一个单独的空闲的块都无法满足这个请求)。
2、小块内存频繁申请释放带来的性能问题。
关于性能这个问题要是再深究起来还是比较复杂的，下面我来简单的说明一下。
开辟空间的时候，分配器会去找一块空闲块给用户，找空闲块也是需要时间的，尤其是在外碎片比较多的情况下。如果分配器其找不到，就要考虑处理假碎片现象(释放的小块空间没有合并)，这时候就要将这些已经释放的的空闲块进行合并，这也是需要时间的。
malloc在开辟空间的时候，这些空间会带有一些附加的信息，这样的话也就造成了空间的利用率有所降低，尤其是在频繁申请小块内存的时候。
为了解决上面这些问题，所以就提出有了内存池的概念。内存池最基本的思想就是一次向heap申请一块很大的内存(内存池)，如果申请小块内存的话就直接到内存池中去要。这样的话，就能够有效的解决上面所提到的问题。
下面我们来剖析一下STL里面的空间配置器(SGI版)。
STL里面的空间配置主要分为两级，一级空间配置器(__malloc_alloc_template)和二级空间配置器(__default_alloc_template)。在STL中默认如果要分配的内存大于128个字节的话就是大块内存，调用一级空间配置器直接向系统申请，如果小于等于128个字节的话则认为是小内存，则就去内存池中申请。一级空间配置器很简单，直接封装了malloc和free处理，增加_malloc_alloc_oom_handle处理机制。二级空间配置器才是STL的精华，二级空间配置器主要由memoryPool+freelist构成。
一级空间配置器：
执行流程：
SGI以malloc来配置内存。当malloc()失败后，就调用oom_alloc()，如果客户端没有设置内存不足处理机制，则就直接抛出bad_alloc异常信息，或者直接终止程序。如果客户端设置了内存不足处理机制，则他就会一直调用内存处理机制，企图在某次调用之后获得一块足够的内存。但是如果内存不足处理机制设计不好的话，存在死循环的危险。
注意："内存不足处理机制"是客户端的责任，设置"内存不足处理介质"也是客户端的责任。
程序：
typedef void(*MALLOCALLOC)(); //将void (*)() 重命名成MALLOCALLOC
template<int inst>
class _MallocAllocTemplate
{
private:
static void* _OomMalloc(size_t); //malloc失败的时候调用的函数
static MALLOCALLOC _MallocAllocOomHandler; //函数指针，内存不足的时候的处理机制
public:
static void* _Allocate(size_t n) //分配空间n个字节的空间
{
void *result=0;
result = malloc(n);
if (0 == result) //若果malloc失败，则就调OOM_malloc
_OomMalloc(n);
return result;
}
static void _DeAllocate(void *p) //释放这块空间
{
free(p);
}
static MALLOCALLOC _SetMallocHandler(MALLOCALLOC f) //这是一个函数，参数是一个函数指针，返回值也是一个函数指针
{
MALLOCALLOC old = _MallocAllocOomHandler;
_MallocAllocOomHandler = f; //将内存分配失败的句柄设置为f(让它指向一个内存失败了，让系统去释放其他地方空间的函数)
return old;
}
};
template<int inst>
void(* _MallocAllocTemplate<inst>::_MallocAllocOomHandler)()=0; //默认不设置内存不足处理机制
template<int inst>
void* _MallocAllocTemplate<inst>::_OomMalloc(size_t n)
{
MALLOCALLOC _MyMallocHandler; //定义一个函数指针
void *result;
while (1)
{
_MyMallocHandler = _MallocAllocOomHandler;
if (0 == _MyMallocHandler) //没有设置内存不足处理机制
throw std::bad_alloc(); //则抛出异常
(*_MyMallocHandler)(); //调用内存不足处理的函数，申请释放其他地方的内存
if (result = malloc(n)) //重新申请内存
break;
}
return result; //申请成功时，则返回这块内存的地址
}
typedef _MallocAllocTemplate<0> malloc_alloc;
二级空间配置器：
二级空间配置器使用内存池+自由链表的形式避免了小块内存带来的碎片化，提高了分配的效率，提高了利用率。SGI的做法是先判断要开辟的大小是不是大于128，如果大于128则就认为是一块大块内存，调用一级空间配置器直接分配。否则的话就通过内存池来分配，假设要分配8个字节大小的空间，那么他就会去内存池中分配多个8个字节大小的内存块，将多余的挂在自由链表上，下一次再需要8个字节时就去自由链表上取就可以了，如果回收这8个字节的话，直接将它挂在自由链表上就可以了。
为了便于管理，二级空间配置器在分配的时候都是以8的倍数对齐。也就是说二级配置器会将任何小块内存的需求上调到8的倍数处(例如：要7个字节，会给你分配8个字节。要9个字节，会给你16个字节),尽管这样做有内碎片的问题，但是对于我们管理来说却简单了不少。因为这样的话只要维护16个free_list就可以了，free_list这16个结点分别管理大小为8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,86,96,104,112,120,128字节大小的内存块就行了。
自由链表的结点类型：
union _Obj
{
union _Obj* _M_free_list_link;
char _M_client_data[1]; /* The client sees this. */
};
内存池模型：
为了将自由链表下面的结点串起来，又不引入额外的指针，所以我们要学会一物两用，因为在自由链表下面挂的最小的内存块都是8个字节，足够存放一个地址，所以我们就在这些内存块里面存放其他内存块的地址，这样的话就将这些内存块链接起来了。
二级空间配置器的类：
enum { _ALIGN = 8 }; //按照基准值8的倍数进行内存操作
enum { _MAXBYTES = 128 }; //自由链表中最大的块的大小是128
enum { _NFREELISTS = 16 }; //自由链表的长度，等于_MAXBYTES/_ALIGN
template <bool threads, int inst> //非模板类型参数
class _DefaultAllocTemplate
{
union _Obj //自由链表结点的类型
{
_Obj* _freeListLink; //指向自由链表结点的指针
char _clientData[1]; //this client sees
};
private:
static char* _startFree; //内存池的头指针
static char* _endFree; //内存池的尾指针
static size_t _heapSize; //记录内存池已经向系统申请了多大的内存
static _Obj* volatile _freeList[_NFREELISTS]; //自由链表
private:
static size_t _GetFreeListIndex(size_t bytes) //得到这个字节对应在自由链表中应取的位置
{
return (bytes +(size_t) _ALIGN - 1) / (size_t)_ALIGN - 1;
}
static size_t _GetRoundUp(size_t bytes) //对这个字节向上取成8的倍数
{
return (bytes + (size_t)_ALIGN - 1)&(~(_ALIGN-1)); //将n向上取成8的倍数
}
static void* _Refill(size_t n); //在自由链表中申请内存,n表示要的内存的大小
static char* _chunkAlloc(size_t size,int& nobjs); //在内存池中申请内存nobjs个对象，每个对象size个大小
public:
static void* Allocate(size_t n); //n要大于0
static void DeAllocate(void *p,size_t n); //n要不等于0
};
二级空间配置器的逻辑步骤：
假如现在申请n个字节：
1、判断n是否大于128，如果大于128则直接调用一级空间配置器。如果不大于，则将n上调至8的倍数处，然后再去自由链表中相应的结点下面找，如果该结点下面挂有未使用的内存，则摘下来直接返回这块空间的地址。否则的话我们就要调用refill(size_t n)函数去内存池中申请。
2、向内存池申请的时候可以多申请几个，STL默认一次申请nobjs=20个，将多余的挂在自由链表上，这样能够提高效率。
进入refill函数后，先调chunk_alloc(size_t n,size_t& nobjs)函数去内存池中申请，如果申请成功的话，再回到refill函数。
这时候就有两种情况，如果nobjs=1的话则表示内存池只够分配一个，这时候只需要返回这个地址就可以了。否则就表示nobjs大于1，则将多余的内存块挂到自由链表上。
如果chunk_alloc失败的话，在他内部有处理机制。
3、进入chunk_alloc(size_t n,size_t& nobjs )向内存池申请空间的话有三种情况：
3.1、内存池剩余的空间足够nobjs*n这么大的空间，则直接分配好返回就可以了。
3.2、内存池剩余的空间leftAlloc的范围是n<=leftAlloc<nobjs*n,则这时候就分配nobjs=(leftAlloc)/n这么多个的空间返回。
3.3、内存池中剩余的空间连一个n都不够了，这时候就要向heap申请内存，不过在申请之前先要将内存池中剩余的内存挂到自由链表上，之后再向heap申请。
3.3.1、如果申请成功的话，则就再调一次chunk_alloc重新分配。
3.3.2、如果不成功的话，这时候再去自由链表中看看有没有比n大的空间，如果有就将这块空间还给内存池，然后再调一次chunk_alloc重新分配。
3.3.3、如果没有的话，则就调用一级空间配置器分配，看看内存不足处理机制能否处理。
流程框图：
代码实现：
enum { _ALIGN = 8 }; //按照基准值8的倍数进行内存操作
enum { _MAXBYTES = 128 }; //自由链表中最大的块的大小是128
enum { _NFREELISTS = 16 }; //自由链表的长度，等于_MAXBYTES/_ALIGN
template <bool threads, int inst> //非模板类型参数
class _DefaultAllocTemplate
{
union _Obj //自由链表结点的类型
{
_Obj* _freeListLink; //指向自由链表结点的指针
char _clientData[1]; //this client sees
};
private:
static char* _startFree; //内存池的头指针
static char* _endFree; //内存池的尾指针
static size_t _heapSize; //记录内存池已经向系统申请了多大的内存
static _Obj* volatile _freeList[_NFREELISTS]; //自由链表
private:
static size_t _GetFreeListIndex(size_t bytes) //得到这个字节对应在自由链表中应取的位置
{
return (bytes +(size_t) _ALIGN - 1) / (size_t)_ALIGN - 1;
}
static size_t _GetRoundUp(size_t bytes) //对这个字节向上取成8的倍数
{
return (bytes + (size_t)_ALIGN - 1)&(~(_ALIGN-1)); //将n向上取成8的倍数
}
static void* _Refill(size_t n); //在自由链表中申请内存,n表示要的内存的大小
static char* _chunkAlloc(size_t size,int& nobjs); //在内存池中申请内存nobjs个对象，每个对象size个大小
public:
static void* Allocate(size_t n); //n要大于0
static void DeAllocate(void *p,size_t n); //n要不等于0
};
template<bool threads,int inst>
char* _DefaultAllocTemplate<threads,inst>::_startFree = 0; //内存池的头指针
template<bool threads, int inst>
char* _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_endFree=0; //内存池的尾指针
template<bool threads, int inst>
size_t _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_heapSize = 0; //记录内存池已经向系统申请了多大的内存
template<bool threads, int inst>
typename _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_Obj* volatile //前面加typename表示后面是个类型
_DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_freeList[_NFREELISTS] = {0}; //自由链表
template<bool threads, int inst>
void* _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::Allocate(size_t n) //分配空间
{
void *ret;
//先判断要分配的空间大小是不是大于128个字节
if (n>_MAXBYTES) //大于_MAXBYTES个字节则认为是大块内存，直接调用一级空间配置器
{
ret = malloc_alloc::_Allocate(n);
}
else //否则就去自由链表中找
{
_Obj* volatile *myFreeList = _freeList+_GetFreeListIndex(n); //让myFreeList指向自由链表中n向上取8的整数倍
_Obj* result = *myFreeList;
if (result == 0) //这个结点下面没有挂内存，则就要去内存池中申请
{
ret = _Refill(_GetRoundUp(n)); //到内存池中申请
}
else //已经在自由链表上找到了内存
{
*myFreeList= result->_freeListLink; //把第二块空间的地址放到自由链表上
ret = result;
}
}
return ret;
}
template<bool threads, int inst>
void _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::DeAllocate(void *p, size_t n) //回收空间
{
//先判断这个字节的大小
if (n > _MAXBYTES) //如果n大于自由链表中结点所能挂的最大内存块，则就直接调用一级指针的释放函数
{
malloc_alloc::_DeAllocate(p);
}
else //将这块内存回收到自由链表中
{
_Obj* q = (_Obj*)p;
_Obj* volatile *myFreeList = _freeList + _GetFreeListIndex(n);
q->_freeListLink = *myFreeList;
*myFreeList = q;
}
}
template<bool threads,int inst>
void* _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_Refill(size_t n) //n表示要申请的字节个数
{
int nobjs = 20; //向内存池申请的时候一次性申请20个
char* chunk = _chunkAlloc(n,nobjs); //因为现在链表中没有，所以要想内存池中申请，多余的再挂到自由链表下面
if (1 == nobjs) //只分配到了一个对象
{
return chunk;
}
_Obj* ret = (_Obj*)chunk; //将申请的第一个对象作为返回值
_Obj* volatile *myFreeList = _freeList+ _GetFreeListIndex(n);
*myFreeList =(_Obj*)(chunk+n); //将第二个对象的地址放到自由链表中
_Obj* cur= *myFreeList;
_Obj* next=0;
cur->_freeListLink = 0;
for (int i = 2; i < nobjs; ++i) //将剩下的块挂到自由链表上
{
next= (_Obj*)(chunk + n*i);
cur->_freeListLink = next;
cur = next;
}
cur->_freeListLink = 0;
return ret;
}
template<bool threads, int inst>
char* _DefaultAllocTemplate<threads, inst>::_chunkAlloc(size_t size, int& nobjs) //向系统中申请内存
{
char* result = 0;
size_t totalBytes = size*nobjs; //总共请求的内存大小
size_t leftBytes = _endFree - _startFree; //内存池剩余的大小
if (leftBytes>=totalBytes) //如果剩余的大小大于等于申请的大小，则返回这个这内存
{
result = _startFree;
_startFree += totalBytes;
return result;
}
else if (leftBytes>size) //如果剩余的内存足够分配一个size,
{
nobjs=(int)(leftBytes/size);
result = _startFree;
_startFree +=(nobjs*size);
return result;
}
else //内存池中的内存已经不够一个size了
{
size_t NewBytes = 2 * totalBytes+_GetRoundUp(_heapSize>>4); //内存池要开辟的新的容量
if (leftBytes >0) //剩余的内存挂到自由链表上
{
_Obj* volatile *myFreeList = _freeList + _GetFreeListIndex(leftBytes);
((_Obj*)_startFree)->_freeListLink = *myFreeList;
*myFreeList = (_Obj*)_startFree;
}
//开辟新的内存
_startFree = (char*)malloc(NewBytes);
if (0 == _startFree) //如果开辟失败
{
//如果开辟失败的话，则表明系统已经没有内存了，这时候我们就要到自由链表中找一块比n还大的内存块，如果还没有的话，那就掉一级空间配置器
for (size_t i = size; i <(size_t)_MAXBYTES;i+=(size_t)_ALIGN)
{
_Obj* volatile *myFreeList = _freeList + _GetFreeListIndex(i);
_Obj* p =*myFreeList;
if (NULL != p) //在自由链表找到一块内存块
{
_startFree =(char*)p;
//将这个内存块摘下来给内存池
*myFreeList = p->_freeListLink;
_endFree = _startFree + i;
return _chunkAlloc(size, nobjs); //内存池开辟好的话，就再调一次chunk分配内存
}
}
//要是再找不到的话，就调一级空间配置器，其中有内存不足处理机制,要是还不行的话，他会自动抛出异常
_endFree = NULL;
_startFree=(char*)malloc_alloc::_Allocate(NewBytes);
}
//开辟成功的，就更新heapSize(记录总共向系统申请了多少内存),，更新_endFree
_heapSize += NewBytes;
_endFree = _startFree + NewBytes;
return _chunkAlloc(size, nobjs); //内存池开辟好的话，就再调一次chunk分配内存
}
}
typedef _DefaultAllocTemplate<0,0> default_alloc;
空间配置器的其他问题：
1、在空间配置器中所有的函数和变量都是静态的，所以他们在程序结束的时候才会被释放发。二级空间配置器中没有将申请的内存还给操作系统，只是将他们挂在自由链表上。所以说只有当你的程序结束了之后才会将开辟的内存还给操作系统。
2、由于它没有将内存还给操作系统，所以就会出现二种极端的情况。
2.1、假如我不断的开辟小块内存，最后将整个heap上的内存都挂在了自由链表上，但是都没有用这些空间，再想要开辟一个大块内存的话会开辟失败。
2.2、再比如我不断的开辟char,最后将整个heap内存全挂在了自由链表的第一个结点的后面，这时候我再想开辟一个16个字节的内存，也会失败。
或许我比较杞人忧天吧，总的来说上面的情况只是小概率情况。如果非得想办法解决的话，我想的是：针对2.1我们可以引入释放二级空间配置器的方法，但是这个释放比较麻烦。针对2.2我们可以合并自由链表上的连续的小的内存块。
3、二级空间配置器会造成内碎片问题，极端的情况下一直申请char，则就会浪费7/8的空间。但是整体来说，空间配置器的性能还是蛮高的。
总的流程：
以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网
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