【C++学习】STL之空间配置器之一级空间配置器

文章目录

• • 📊什么是空间配置器
  • ✈STL 提供六大组件的了解
  • 👀为什么需要空间配置器
  • 👍SGI-STL空间配置器实现原理
  • • 🌂一级空间配置器的实现

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      📊什么是空间配置器

      空间配置器，顾名思义就是为各个容器高效的管理空间(空间的申请与回收)的，在默默地工作。

      ✈STL 提供六大组件的了解

      • 容器（containers）：各种数据结构，如 vector, list, deque, set, map 用来存放数据。从实现的角度来看，STL 容器是一种 class template。
      • 算法（algorithms）：各种常用的算法如 sort, search, copy, erase…从实现角度来看，STL 算法是一种 function template。
      • 迭代器（iterators）：扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”。从实现角度来看，迭代器是一种将 operator *, operator ->, operator++, operator– 等指针相关操作予以重载的class template。
      • 仿函数（functors）：行为类似函数，可以作为算法的某种策略。从实现角度来看，仿函数是一种重载了 operator() 的 class 或class template。
      • 适配器（adapters）：一种用来修饰容器或仿函数或迭代器接口的东西。例如 STL 提供的 queue 和 stack，虽然看似容器，其实只能算是一种容器适配器，因为它们的底部完全借助 deque，所有操作都由底层的 deque 供应。
      • 配置器（allocator）：负责空间配置与管理，从实现角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的 class template。

        👀为什么需要空间配置器

        • 从使用 STL 层面而言，空间配置器并不需要介绍 ，因为容器底层都给你包装好了，但若是从 STL 实现角度出发，空间配置器是首要理解的。

        • 作为 STL 设计背后的支撑，空间配置器总是在默默地付出着。为什么你可以使用算法来高效地处理数据，为什么你可以对容器进行各种操作，为什么你用迭代器可以遍历空间，这一切的一切，都有“空间配置器”的功劳。

          模拟实现vector、list、map、unordered_map等容器时，所有需要空间的地方都是通过new申请的，虽然代码可以正常运行，但是有以下不足之处：

          • 空间申请与释放需要用户自己管理，容易造成内存泄漏。
          • 频繁向系统申请小块内存块，容易造成内存碎片。
          • 频繁向系统申请小块内存，影响程序运行效率。
          • 直接使用malloc与new进行申请，每块空间前有额外空间浪费。
          • 申请空间失败怎么应对。
          • 代码结构比较混乱，代码复用率不高。
          • 未考虑线程安全问题。

            因此需要设计一块高效的内存管理机制。

            👍SGI-STL空间配置器实现原理

            以上提到的几点不足之处，最主要还是：频繁向系统申请小块内存造成的。那什么才算是小块内存？SGI-STL以128作为小块内存与大块内存的分界线，将空间配置器其分为两级结构，一级空间配置器处理大块内存，二级空间配置器处理小块内存。

            🌂一级空间配置器的实现

            • 一级空间配置器原理非常简单，直接对malloc与free进行了封装，并增加了C++中

              set_new_handle思想。

              实现代码：

              template class __malloc_alloc_template
              {private:
               static void *oom_malloc(size_t);
              public:
              // 对malloc的封装
               static void * allocate(size_t n)
               { // 申请空间成功，直接返回，失败交由oom_malloc处理
               void *result = malloc(n);
               if (0 == result) 
                 result = oom_malloc(n);
               return result;
               }
              // 对free的封装
               static void deallocate(void *p, size_t /* n */)
               { free(p);}
               // 模拟set_new_handle
               // 该函数的参数为函数指针，返回值类型也为函数指针
               // void (*   set_malloc_handler( void (*f)() ) )()
               static void (* set_malloc_handler(void (*f)()))()
               { void (* old)() = __malloc_alloc_oom_handler;
               __malloc_alloc_oom_handler = f;
               return(old);
               }
              };
              // malloc申请空间失败时代用该函数
              template void * __malloc_alloc_template::oom_malloc(size_t n)
              {void (* my_malloc_handler)();
              void *result;
              for (;;) 
              { // 检测用户是否设置空间不足应对措施，如果没有设置，抛异常，模式new的方式
                 my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;
                 if (0 == my_malloc_handler)
                 { __THROW_BAD_ALLOC; 
                 }
                 
                 // 如果设置，执行用户提供的空间不足应对措施
                 (*my_malloc_handler)();
                 
                 // 继续申请空间，可能就会申请成功
                 result = malloc(n);
                 if (result)
                     return(result);
              }
              }
              typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;
              

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