深度解析--SGI STL 空间配置与释放1.SGI 空间配置与释放2. 两级配置器3. C++ new-handler机制4. free list的节点结构

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我是靠谱客的博主飞快灰狼，最近开发中收集的这篇文章主要介绍深度解析--SGI STL 空间配置与释放1.SGI 空间配置与释放2. 两级配置器3. C++ new-handler机制4. free list的节点结构，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

欢迎大家来访二笙的小房子，一同学习分享生活！

文章目录

1.SGI 空间配置与释放
2. 两级配置器
- 2.1 一、二级配置器的关系
- 2.2 第一级配置器 __malloc_alloc_template
- 2.3 第二级配置器
- - 2.3.1 空间配置函数alllocate()
  - 2.3.2 空间释放函数 deallocate()
  - 2.3.3 重新装填free_list
  - 2.3.4 内存池取空间(chunk_alloc实现)
3. C++ new-handler机制
4. free list的节点结构

1.SGI 空间配置与释放

对象构造前的空间配置与对象析构后的空间释放，由<stl_alloc.h>负责，SGI主要考虑以下四个步骤：
1.向system heap要求空间
2.考虑多线程状态
3.考虑内存不足时的应对措施
4.考虑过多“小型区块”可能造成的内存碎片问题
SGI以malloc()和free()完成内存的配置与释放，但考虑到小型区块可能造成的内存破碎问题，SGI设置了双层级配置器：
1.第一级配置器直接使用malloc()和free()
2.第二级配置器视情况采用不同的策略：

配置区块超过128bytes时，视之为足够大，便采用第一级配置器
配置区块小于128bytes时，视之为过小，采用memory pool整理方式

2. 两级配置器

SGI封装了一个接口，名为simple_alloc（使配置器的接口符合STL规格），无论alloc被定义为第一级亦或第二级配置器，都采用该接口进行空间配置：

template <class T, class Alloc>
class simple_alloc {
public:
	static T *allocate(size_ t n)      //单纯的转调用函数，调用传递给配置器的成员函数
					{return 0  == n? 0 : (T*) Alloc::allocate(n * szieof(T)); }
	static T *allocate(void) 
	              { return (T*) Alloc::allocate(sizeof (T)) ; }
   static void deallocate(T *p, size_t n)
                 { if (0 != n)   Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T)); } 
   sattic void deallocate(T *p)
                { Alloc::deallocate(p, sizeof(T)); }
 };

2.1 一、二级配置器的关系

在学习两级配置器之前首先通过下图了解一下一、二级配置器是如何实现的以及两者之间的关系：

2.2 第一级配置器 __malloc_alloc_template

主要以malloc()、free()、realloc()等C函数执行实际的内存配置、释放、重配置操作，并实现出C++ new-handler机制:

#include <iostream>
#define __throwBadAlloc  cerr << "out of memory" << endl;  exit(1);

template <int inst>
class __MallocAllocTemplate {
	typedef void(*OOM_HANDLE)();
private:
	//以下函数用来处理内存不足的情况，oom:out  of  memory
	static void  *oomMalloc(size_t);
	static void  *oomRealloc(void *, size_t);
	static OOM_HANDLE OOM_Handle;

public:
	static void * allocate(size_t n) {
		void *result = malloc(n);      //第一级配置器直接使用malloc
		//如果内存不足则调用oomMalloc处理
		if (0 == result)   result = oomMalloc(n);
		return result;
	}

	static void deallocate(void *p, size_t m) {
		free(n);    //第一级配置器直接调用free
	}

	static void * reallocate(void *p, size_t oldSz, size_t newSz) {
		void *result = realloc(p, newSz);   //第一级配置器直接调用realloc()
		//内存不足调用oomRealloc
		if (0 == result)  result = oomRealloc(p, newSz);
		return result;
	}

	//static void (* set_malloc_handle (void (*f)())) ()
	//参数与返回值都是void (*)()
	static OOM_HANDLE  setMallocHandele(OOM_HANDLE f) {
		OOM_HANDLE old = OOM_Handle;
		OOM_Handle = f;
		return old;
	}
};

//设定初始指针为空
template <int inst>
void(*__MallocAllocTemplate<inst>::OOM_Handle)() = NULL;

//内存不足尝试再次申请
template <int inst >
void * __MallocAllocTemplate<inst>::oomMalloc(size_t n) {
	void(*myMallocHandle)();
	void *result;
	for (;;) {
		myMallocHandle = OOM_Handle;    //不断尝试释放、配置、再释放、再配置...
		if (0 == myMallocHandle) { __throwBadAlloc;  }
		(*myMallocHandle)();         //调用处理例程，企图释放内存
		result = malloc(n);          //再次尝试配置内存
		if (result)  return(result);
	}
}

template <int inst >
void * __MallocAllocTemplate<inst>::oomRealloc(void *p, size_t n) {
	void(*myMallocHandle)();
	void *result;
	for (;;) {
		myMallocHandle = OOM_Handle;    //不断尝试释放、配置、再释放、再配置...
		if (0 == myMallocHandle) { __throwBadAlloc; }
		(*myMallocHandle)();         //调用处理例程，企图释放内存
		result = malloc(n);          //再次尝试配置内存
		if (result)  return(result);
	}
}

若内存不足处理函数oomMalloc与oomRealloc未设定内存不足处理例程，则直接丢出bad_alloc异常信息

2.3 第二级配置器

第二级配置器多了一些机制，避免小额区块造成内存的碎片，减少配置时的额外负担
具体实现：
1.如果区块够大，超过128bytes，移交第一级配置器处理
2.当区块小于128bytes，则以内存池管理：

每次配置一块内存，维护对应的自由链表；
下次收到相同大小的请求时，则直接从自由链表中拔出；
客端释还小额区块，就回收到free-lists中

第二级配置器主动将任何小额区块的内存需求上调至8的倍数（ROUND_UP函数实现）
以下是部分函数实现：

//提升函数,将bytes提升至8的倍数
static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {
       return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN - 1));
}
//16个free-lists
static obj * volatile free_list[__NFREELISTS];
//填充free_list
static size_t FREELIST_INDEX(size_t  bytes) {
     return (((bytes)  + __ALIGN - 1)/__ALIGN  - 1);
}

以下重点理解

2.3.1 空间配置函数alllocate()

步骤：
1.判断区块大小，大于128bytes调用第一级配置器
2.小于128bytes检查对应的free_list，如果有可用区块，直接拿来用；否则上调至8倍数边界，调用refill为free_list重新填充

static void * allocate(size_t n) {
  obj * volatile * my_free_list;
  obj * result;
  if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {   //大于128调用第一级
    return(malloc_alloc::allocate(n));
  }
  my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);  //定位下标
  result = *my_free_list;
  if (result == 0) {
    void *r = refill(ROUND_UP(n));  //没找到可用的free_list，重新填充free_list
    return r;
  }
  //调整free_list
  *my_free_list = result->free_list_link;
  return (result); 
};

2.3.2 空间释放函数 deallocate()

步骤：
1.判断区块大小，大于128bytes调用第一级配置器
2.小于128bytes则找出对应的free_list，将区块回收

在这里插入图片描述

static void deallocate(void *p, size_t n) {
  obj *q = (obj *)p;
  obj * volatile * my_free_list;
  if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {    //大于128调用第一级配置器
    malloc_alloc::deallocate(p, n);
    return ;
  }
  my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);
  q-> free_list_link = *my_free_list;  //调整free_list，回收区块
  *my_free_list = q;
}

2.3.3 重新装填free_list

步骤：
1.free list中无可用区块，调用refill()，为free list填充空间
2.新空间取自内存池(由chunk_alloc())完成，默认取20个新节点
3.如果只申请到一块，则分配给调用者；否则在chunk空间建立free list

template <bool threads, int inst>
void * __default_alloc_template<threads, inst>::refill(size_t n) {
	int nobjs = 20;  //默认取20块新节点
	char * chunk = chunk_alloc(n, nobjs);   //在内存池中申请
	if (1 == nobjs)   return(chunk);  //只获得一块区块，给调用者使用
	//否则跳整free list/，纳入新节点
	obj * my_free_list = free_list + FREELIST_INDDEX(n);
	obj * result = (obj*)chunk; //返回一块给客端
	obj * next = (obj*)(chunk + n); //指向下一块内存
	obj * cur = next;
	*my_free_list = cur;
	//在chunk空间建立free list连接
	for (int i = 1; i < nobjs; ++i) {
		next = (obj*)((char*)next + n);
		cur->free_list_link = next;
		cur = next;
	}
	cur->free_list_link = NULL;
	return result;
}

2.3.4 内存池取空间(chunk_alloc实现)

步骤（主要分以下四个步骤进行）:
1. 内存池剩余空间完全满足需求，则直接分配给用户
2. 若剩余空间不能完全满足，但足够提供一个以上的区块，则将这些区块分配给用户
3. 若剩余空间一个都满足不了，则将残余空间编入free list，然后配置heap空间：

1.向系统heap申请空间
2. 分配成功则返回
3. 分配失败则检索自己的free list查看是否有可用区块
4. 到处都无内存使用则调用第一级配置器

template <bool threads, int inst>
char *
__default_alloc_template<threads, inst>::
	chunk_alloc(size_t size, int& nobjs) {
		char *result;
		size_t totalbytes = size * nobjs;  //需求量 
		size_t bytesleft = end_free - start_free;  //内存池剩余量 
		//如果剩余大于需求 
		if (bytesleft >= totalbytes) {
			result = start_free;
			start_free += totalbytes;
			resturn result;
		}
		//剩余只能满足一个或以上的区块，不能全部满足 
		else if(bytesleft >= size) {
			nobjs = bytesleft/size;
			totalbytes = size * nobjs;
			result = start_free;
			start_free += totalbytes;
			return result;
		}
		//剩余空间一个区块都不能满足
		else {
			//内存池中还有些许零头 ，将其分配给用户 
			if (bytesleft >0) {
				//寻找适当的free list 
				obj * volatile *myfreelist = free_list + FREELIST_INDEX(bytesleft);
				((obj *)start_free)->free_list_link = *myfreelist;
				*myfreelist = (obj *)start_free;
			}
			size_t bytesToGet = 2 * totalbytes + ROUND_UP(heap_size>>4); //配置heap空间，初始量设为需求的两倍加上一个随配置次数增大的附加量 
			start_free = (char *)malloc(bytesToGet); 
			if (0 == start_free) {  
				//heap空间不足，malloc失败
				 int i;
				 obj * volatile * myfreelist, *p;
				 //搜寻free list，查找是否还有未用的区块
				 for (i = size; i <= _MAX_BYTES; i += _ALIGN) {
				 	myfreelist = free_list + FREELIST_INDEX(i);
				 	p = *myfreelist;
				 	if (0 != p) {
				 		//调整free list释放未用区块 
				 		myfreelist = p -> free_list_link;
				 		start_free = (char*)p;
				 		end_free = start_free + i;
					 	return (chunk_alloc(size, nobjs));  //递归调用，修正nobjs 
					 }
				 }
				//所有地方都无内存可用，则调用第一级配置器，使用out of memory机制 
				end_free = 0;  
				start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytesToGet);  
			}
			//分配成功则返回 
			heap_size = bytesToGet;
			end_free = start_free + bytesToGet;
			return (chunk_alloc(size, nobjs));   //递归修正nobjs 
		} 	
	}

3. C++ new-handler机制

本章在讲解第一级配置器时初次提及C++ new-handler机制，于是就去《Effective C++》进一步了解了有关new-handler机制，日后再次遇到时也能迅速回忆起。

1.“当operator new抛出异常以反映一个未获满足的内存需求之前，它会先调用一个客户指定的错误处理函数，一个所谓的new-handler”，这是Effective C++中的原话，用以引出new-handler，从这句话我们大概能知道new-handler是用来处理内存不足的一个机制
2.为了指定这个“用以处理内存不足”的函数，客户需要调用set_new_handler，定义于< new>的一个标准程序库函数：

namespace std {
	typedef void (*new_handler)();
	//返回值和参数都是new_handler
	new_handler set_new_handler(new_handler p) throw();
}

3.set_new_handler的参数是一个指针，指向operator new无法分配足够内存时需要调用的函数：

void outOfMem()
{
	std::cerr << "Unable to satisfy request for memoryn";
	std::abort();
}
int main()
{
	std::set_new_handler(outOfMem); //当内存不足时，调用处理函数outOfMem
	int* pBigDataArrry = new int[100000000L];
	...
}

4.设计一个良好的new-handler：

4.1 让更多内存可被使用：程序一开始执行就分配一大块内存，而后当new-handler第一次被调用，将它们释放还给程序
4.2 安装另一个new-handler：令new-handler修改一些会影响new-handler行为的数据
4.3 卸载new-handler将NULL指针传给set_new_handler
4.4 抛出bad_alloc的异常
4.5 不返回：调用abort或exit

5.基于以上设计，你可以定制你自己的new-handle机制

4. free list的节点结构

在这里插入图片描述

通过上图可以了解到STL通过指针来维护自由链表，有人可能会想每个节点都需要额外的指针，会不会造成额外的负担呢？答案是会的，那么STL的设计精妙之处在哪呢？我们可以先来看一看它的节点结构：

union obj {
	union obj  * free_list_link;
	char client_data[1];
}

"上述obj所用的union，由于union之故，从其第一字段观之，obj可被视为一个指针，指向相同形式的另一个obj，从其第二字段观之，obj可被视为一个指针，指向实际区块“，这段话前半部分很好理解，因为free_list_link本身就是一个obj的指针，但后半部分obj可被视为一个指针，指向实际区块，这一句话又怎么理解呢？
1.首先我们回顾下union的性质，一个union类任意时刻只允许其一个数据成员有值，且数据成员公用内存
2.由上，该free list节点结构union中的数据成员free_list_link和client_data公用一块内存，前者是指向下一节点的指针，后者是指向实际内存的指针，无论什么情况，二者只用其一，不分配的时候，节点就放在空闲链表之内，节点内容是指向下一节点的地址，如果被分配了，那么节点指向的就是实际的内存

最后

以上就是飞快灰狼为你收集整理的深度解析--SGI STL 空间配置与释放1.SGI 空间配置与释放2. 两级配置器3. C++ new-handler机制4. free list的节点结构的全部内容，希望文章能够帮你解决深度解析--SGI STL 空间配置与释放1.SGI 空间配置与释放2. 两级配置器3. C++ new-handler机制4. free list的节点结构所遇到的程序开发问题。

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本文分类：【STL源码剖析】
浏览次数：65 次浏览
发布日期：2023-07-01 15:25:02
本文链接：https://www.kaopuke.com/article/k-p-k_14_uzo_26_f4_14__7_k4.html

深度解析--SGI STL 空间配置与释放1.SGI 空间配置与释放2. 两级配置器3. C++ new-handler机制4. free list的节点结构

概述

文章目录

1.SGI 空间配置与释放

2. 两级配置器

2.1 一、二级配置器的关系

2.2 第一级配置器 __malloc_alloc_template

2.3 第二级配置器

2.3.1 空间配置函数alllocate()

2.3.2 空间释放函数 deallocate()

2.3.3 重新装填free_list

2.3.4 内存池取空间(chunk_alloc实现)

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概述

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1.SGI 空间配置与释放

2. 两级配置器

2.1 一、二级配置器的关系

2.2 第一级配置器 __malloc_alloc_template

2.3 第二级配置器

2.3.1 空间配置函数alllocate()

2.3.2 空间释放函数 deallocate()

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