STL 源码分析--内存分配

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说明：STL 采用 SGI 版本， 下载地址

1 相关头文件

stl_alloc.h
alloc.h

2 allocator

STL 中默认使用的内存分配器，被广泛用于vector, hashmap, deque等数据结构中 该类实现以下接口：

• allocate：给 n 个对象分配连续内存

_Tp* allocate(size_type __n, const void* = 0) {
    return __n != 0 ? static_cast<_Tp*>(_Alloc::allocate(__n * sizeof(_Tp)))
                    : 0;
}

• deallocate: 释放 n 个对象的连续内存

// __p is not permitted to be a null pointer.
  void deallocate(pointer __p, size_type __n)
    { _Alloc::deallocate(__p, __n * sizeof(_Tp)); }

• construct: 在分配好的内存上构造对象

  void construct(pointer __p, const _Tp& __val) { new(__p) _Tp(__val); }

• destroy: 在分配好的内存上析构对象

  void destroy(pointer __p) { __p->~_Tp(); }

3 alloc

alloc allocator申请和释放内存通过alloc中的静态方法实现。

class allocator {
  typedef alloc _Alloc;          // The underlying allocator.
}

而alloc定义如下，其实是__default_alloc_template 的一个特化类

typedef __default_alloc_template<__NODE_ALLOCATOR_THREADS, 0> alloc;

而__default_alloc_template由一级内存池和二级内存池组成

3.1 二级内存池

二级内存池为一个静态数组，数组元素类型为_Obj*，每个数组元素即一个单向链表的头。 _S_free_list存储不同大小空闲内存块的链表头，如size为 8 的chunk_list的链表头为_S_free_list的第一个元素，size 为 16 的chunk_list对应第二个元素，以此类推

private:
# if defined(__SUNPRO_CC) || defined(__GNUC__) || defined(__HP_aCC)
    static _Obj* __STL_VOLATILE _S_free_list[];
        // Specifying a size results in duplicate def for 4.1
# else
    static _Obj* __STL_VOLATILE _S_free_list[_NFREELISTS];

_Obj类型：

  union _Obj {
        union _Obj* _M_free_list_link;
        char _M_client_data[1];    /* The client sees this.        */
  };

3.2 一级内存池

一级内存池是一段连续的大缓冲区。其中_S_start_free表示可用内存开头，_S_end_free表示可用内存末尾， _S_heap_size统计所有堆上分配内存的大小总和。

  // Chunk allocation state.
  static char* _S_start_free;
  static char* _S_end_free;
  static size_t _S_heap_size;

3.3 内存分配策略

3.3.1 二级内存池中的分配策略

对于 size 不超过最大_MAX_BYTES(128)的内存分配请求，尽量从二级内存池中分配：

• 申请内存：首先根据size大小找到二级内存池中对应的 slot, 并获取空闲内存块链表的头，取出第一个内存块，并将其从链表中删除
• 释放内存：根据size大小找到二级内存池中对应的 slot, 将需要释放的内存块插入到空闲内存块组成的链表的头部，并更新对应 slot 中的指针。

3.3.2 整体流程

因此，使用__default_alloc_template申请内存的总体流程如下：

1. 判断申请内存字节数size是否超过最大_MAX_BYTES(128)
2. 如果超过，调用malloc_alloc::allocate从堆上申请内存；
3. 如果未超过，根据size大小索引到相应的空闲内存块链表，判断是否为空
4. 如果非空，则走二级内存池中的分配策略
5. 如果为空，申请20*size大小的内存，判断可用一级内存池的大小(即left_bytes)
6. 如果left_bytes >= 20*size, 直接从从一级内存池分配
7. 如果left_bytes >= size, 从一级内存池分配尽量多的size, 一部分用于内存分配，一部分用于放入二级内存池
8. 如果left_bytes < size, 首先将一级内存池中剩余内存块插入到二级内存池中，然后通过malloc申请2 * __total_bytes + _S_round_up(_S_heap_size >> 4)大小的内存，作为一级内存池。最后再跳转到 6，返回可用内存地址，返回

3.3.3 __default_alloc_template 的线程安全性

当__default_alloc_template的执行 allocate 和 deallocate 时，都会针对一级内存池和二级内存池进行动态调整，因此 STL 中通过互斥锁保护这些临界资源

    // It would be nice to use _STL_auto_lock here.  But we
    // don't need the NULL check.  And we do need a test whether
    // threads have actually been started.
    class _Lock;
    friend class _Lock;
    class _Lock {
        public:
            _Lock() { __NODE_ALLOCATOR_LOCK; }
            ~_Lock() { __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK; }
    };

而__NODE_ALLOCATOR_LOCK和__NODE_ALLOCATOR_UNLOCK是这样定义的

#   define __NODE_ALLOCATOR_LOCK if (threads && __us_rsthread_malloc) \
                { _S_node_allocator_lock._M_acquire_lock(); }
#   define __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK if (threads && __us_rsthread_malloc) \
                { _S_node_allocator_lock._M_release_lock(); }

互斥锁又是怎么实现的呢？根据不同的平台有多种实现方式。其中之一便是使用 linux 下的 pthread lib

  pthread_mutex_t _M_lock;
  void _M_initialize()   { pthread_mutex_init(&_M_lock, NULL); }
  void _M_acquire_lock() { pthread_mutex_lock(&_M_lock); }
  void _M_release_lock() { pthread_mutex_unlock(&_M_lock); }

4 杂项

simple_alloc,debug_alloc 这两者同alloctor相似，不同点在于前三者将实际的内存分配器作为一个模板参数传入类中，然后调用其进行内存分配和释放。而后者内部直接使用alloc, 即__default_alloc_template<true, 0>

4.1 simple_alloc

主要用于 STL 哈希表和红黑树中节点的分配 模板参数中，_Tp表示元素类型，_Alloc表示实际的内存分配器

template<class _Tp, class _Alloc>
class simple_alloc {

public:
    static _Tp* allocate(size_t __n)
      { return 0 == __n ? 0 : (_Tp*) _Alloc::allocate(__n * sizeof (_Tp)); }
    static _Tp* allocate(void)
      { return (_Tp*) _Alloc::allocate(sizeof (_Tp)); }
    static void deallocate(_Tp* __p, size_t __n)
      { if (0 != __n) _Alloc::deallocate(__p, __n * sizeof (_Tp)); }
    static void deallocate(_Tp* __p)
      { _Alloc::deallocate(__p, sizeof (_Tp)); }
};

4.2 debug_alloc

debug_alloc: 元素类型默认为 char, 内存分配器通过模板参数指定 debug_alloc 实现中有一个比较有意思的地方：

• 在申请内存时，多分配 8 个字节，用于记录分配的内存缓冲区的长度，给用户返回的缓冲区不包括这 64 位。
• 在释放内存时，首先检查用户输入的内存缓冲区长度是否正确，然后将用户内存缓冲区和保存长度的 8 个字节一并释放。内存布局如下所示

buf_len(8 Byte) | buf(n Byte)

// Allocator adaptor to check size arguments for debugging.
// Reports errors using assert.  Checking can be disabled with
// NDEBUG, but it's far better to just use the underlying allocator
// instead when no checking is desired.
// There is some evidence that this can confuse Purify.
template <class _Alloc>
class debug_alloc {

private:

  enum {_S_extra = 8};  // Size of space used to store size.  Note
                        // that this must be large enough to preserve
                        // alignment.

public:

  static void* allocate(size_t __n)
  {
    char* __result = (char*)_Alloc::allocate(__n + (int) _S_extra);
    *(size_t*)__result = __n;
    return __result + (int) _S_extra;
  }

  static void deallocate(void* __p, size_t __n)
  {
    char* __real_p = (char*)__p - (int) _S_extra;
    assert(*(size_t*)__real_p == __n);
    _Alloc::deallocate(__real_p, __n + (int) _S_extra);
  }

  static void* reallocate(void* __p, size_t __old_sz, size_t __new_sz)
  {
    char* __real_p = (char*)__p - (int) _S_extra;
    assert(*(size_t*)__real_p == __old_sz);
    char* __result = (char*)
      _Alloc::reallocate(__real_p, __old_sz + (int) _S_extra,
                                   __new_sz + (int) _S_extra);
    *(size_t*)__result = __new_sz;
    return __result + (int) _S_extra;
  }

};

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