STL記憶體管理

過年在家無事看了《stl原始碼剖析》，開學了將看過的東西總結一下，以防忘記。

先從stl的記憶體管理開始總結。掌管stl記憶體控制的是乙個叫空間介面卡（alloc）的東西。stl有兩個空間介面卡，sgi標準空間介面卡（allocate）和sgi特殊的空間介面卡（alloc），前者只是對c++的new和delete進行了簡單的封裝。下面主要介紹的是alloc空間介面卡。

一般而言，c++的記憶體配置和釋放操作是這樣的：

classfoo

foo* pf = newfoo；

delete pf；

其中new操作符包含了兩個階段：1、operator new配置空間；2、呼叫foo建構函式構造內容。同理，delete操作符也包含呼叫析構函式和釋放空間兩個過程。stl記憶體管理參考了這種方法，將空間配置和構造內容分開。記憶體配置和記憶體釋放分別由alloc::allocate() 和 alloc::deallocate() 負責，物件構造和析構分別由alloc::construct() 和 alloc::destroy()負責。

下面先介紹construct() 和 destroy() 函式。

template inline void construct(t1* p, const t2&value)

template inline void destroy(t*pointer)

從**中可以看出，負責物件構造和析構的alloc::construct() 和 alloc::destroy()函式就是對建構函式t()和析構函式~t()的封裝。（注意：上面**並沒有涉及任何的記憶體配置與釋放，單純的呼叫建構函式和析構函式，這就是constructor()裡面為什麼用placement new 而不是 operator new 的原因。）另外，alloc過載第二個版本的alloc::destroy()，接受兩個iterator引數，用來批量地析構物件，並且用type_traits程式設計技法判斷物件是否有tirvial destructor來判斷是否需要顯示的呼叫destroy函式，以此來加快批量析構物件的速度。其中type_traits簡言之就是用泛化的手法提取物件的型別資訊，用來判斷該物件到底有沒有trivial destructor，trivial destructor現在你可以理解為沒有顯示地定義析構函式，例如系統內建的int型變數，後面等有時間再總結一下type_traits和iterator_traits的實現原理。

前面總結了記憶體配置的第二部分----物件的構造和析構，下面總結一下第一部分----空間的配置與釋放。

sgi以malloc()和free()完成記憶體配置與釋放。為了解決小型區塊所可能造成的記憶體破碎問題，sgi設計了雙層級配置器，第一級直接使用malloc()和free()配置和釋放記憶體空間，第二級配置器採用如下策略：當配置區塊超過128 bytes 時，視為足夠大，呼叫第一級配置器，當小於128 bytes 時，採用memory pool的整理方式。下面主要總結第二級配置器。

如前所述，sgi第二級配置器的策略為：如果區塊足夠大，超過128 bytes 時，就移交第一級配置器處理。當區塊小於128 bytes 時，則以memory pool管理----每次配置一大塊記憶體的時候，都對應維護乙個自由鍊錶（free-list）。下次若有相同大小的記憶體需求時，直接從free-list中取，當有記憶體被釋放時，**到free-list當中。第二級配置器維護16個free-list，分別管理8,16,24...128 bytes 大小的區塊，客戶端請求的區塊會自動調整到上述大小，如 20 bytes 調整到 24 bytes。下面是free-list的節點。

union obj

這裡之所以用union而不同struct，是為了節約空間，union中的變數共用同乙個儲存空間，obj裡面就儲存著乙個位址，指向下乙個可用區塊，而那個區塊的首個位元組就是obj，也可以說這個位址也指向下乙個obj。可以這麼理解：可用區塊的第乙個位元組構成了乙個鍊錶，維護了同樣大小的區塊，而第乙個區塊的位址就放在free-list中。當free-list裡面某個大小的區塊無可用區塊時，就由chunk_alloc() 函式向記憶體池請求空間。上述總結可能沒有那麼直觀，下面結合部分**具體解釋。由於**較多，故只挑選關鍵**附以自己的理解，全部**可參考《stl原始碼剖析》。注：原始碼中使用union的做法只是為了節約空間，但是現在記憶體大小已不是人們關心的主要問題，又加之union在實際使用中會出現各種奇怪問題，所以大部分情況下還是推薦有struct代替。

// __nfreelists == 16 表示配置器所維護的16個free_list； volatile表示不允許編譯器對free_list變數進行優化； free_list裡面放的是obj的位址，也就是說該大小下可使用的第乙個區塊。
static obj * volatile free_list[__nfreelists];

static void *allocate(size_t n)
// 找到16個當中合適的free_list
my_free_list = free_list +freelist_index(n);
result  = *my_free_list;
if(result == 0)
*my_free_list = result -> free_list_link;// 這裡是理解的關鍵，其實result已經指向了第乙個可用區塊，區塊的第乙個位元組是下乙個可用區塊也是下乙個obj的位址，所以這句話就已經移除了第乙個可用區塊。
returnresult;
}

空間釋放函式deallocate()首先判斷是否大於128 bytes，大於交由第一級配置器處理，小於就找出對應的free_list將之收回。在理解了allocate()的**之後，deallocate()裡面的關鍵**也就不難理解了：

my_free_list = free_list +freelist_index(n);
q -> free_list_link = *my_free_list; // q指向要收回的區塊
*my_free_list = q;

重新填充 free_list 的 refill() 函式就是用chunk_alloc函式從記憶體池中取出新的空間（預設為20個某個大小的新區塊，如記憶體池空間不夠也可能小於20），並構造成煉表的形式掛在當前大小的free_list後面。在理解了新區塊的第乙個位元組為下一區塊以及下一obj的位址這一概念之後，refill()的**也不難理解，故不在下面貼**了。

前面一直提到的chunk_alloc()函式，它的工作是為free_list從記憶體池中取空間。它的邏輯為若記憶體池空間完全滿足需求，則為free_list配置20個新區塊，若記憶體池剩餘空間不能完全滿足需求，但足夠**乙個及以上的區塊，則為free_list配置力所能及的區塊數目，若記憶體池剩餘空間連乙個區塊大小都無法滿足，就先把記憶體池中的剩餘零頭分配給適當的free_list，然後釋放維護更大區塊的free_list中的取尚未用的區塊，將空間還給記憶體池，以供記憶體池為當前free_list配置空間，若，山窮水盡，到處都沒有記憶體了，那就只能求助於第一級配置器，如果他再搞不定，那就只能丟擲異常了。在理解前面**的基礎上，chunk_alloc的**也不難理解。

本章後面還介紹了五個stl的全域性函式，作用於未初始化的空間上，方便後面的容器實現。

stl的記憶體管理大體就是這樣，主要用了malloc 和 free對記憶體進行配置，等回頭看看tcmalloc對malloc 和 free 改進再總結一記吧。

STL記憶體管理

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