一. 什么是空间配置器

负责空间配置与管理。从实现的角度来看，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

​ ——《STL源码剖析》
这段话指出了空间配置器的几个特征:

• 主要功能：负责空间的配置与管理，其将空间方面的操作抽象出来，从而使其他组间更好地面向其他方向
• 具体功能：动态空间配置、空间管理、空间释放
• 类型：为一个类模板（class template），实际上，6大组件除了算法组件是函数模板（function template），其他均为类模板。

实际上，因为在使用容器时默认指定了allocate，对大部分使用者来说空间配置器是透明的

二. STL allocator的四个操作： allocate，deallocate，construct，destroy

假如要进行C++的内存配置和释放操作，我们会进行如下操作：

class Foo{ ... }
Foo *pf = new Foo;
delete pf;

这个过程中new有两个操作：

1. 调用::operator new配置内存,
2. 调用::operator Foo::Foo()构造对象函数

delete也有两段操作

1. 调用Foo::~Foo()将对象析构
2. 调用::operator delete释放内存

综上,虽然只有new和delete两个操作,但是实际上有4个操作：内存的分配和回收、对象的构造和析构。因此STL allocator将其分为4个部分：

• alloc:allocate() 内存配置
• alloc:deallocate() 内存释放
• ::construct() 对象构造
• ::destroy() 对象析构

关于allocate()和deallocate() 将于后面介绍，这里简单介绍一下构造和析构函数的思想原理

construct()

构造函数其实比较简单，因为已经抽象出了内存配置功能，因此只要实现构造即可。这里直接使用使用了 placement new

一般来说，使用new申请空间时，是从系统的“堆”（heap）中分配空间。申请所得的空间的位置是根据当时的内存的实际使用情况决定的。但是，在某些特殊情况下，可能需要在已分配的特定内存创建对象，这就是所谓的“定位放置new”（placement new）操作。

by placement new机制 - AlexNoBug的文章 - 知乎

destroy()

相比于简单调用placement new的construct()，destroy()略有不同，它进行了如下分类

• 假如是对一个指针执行析构函数，则直接调用该对象的析构函数即可
• 假如是对[first,last) 的范围执行析构函数，那需要进行一次判断：假如这个范围内的对象是"trivial"（不重要的），那鉴于循环调用析构函数的开销不小，没有调用析构函数的必要；反之，若为"non-trivial"，那说明有调用的必要，因此会遍历调用析构函数

PS： 实际上，对于是否为trivial，有一个很好判断的依据：这个对象是否有用new在堆中创建内存，假如有的话，那必然为non-trivial，因为不执行析构函数会造成内存泄漏，这也是判断是否是trivial的依据——假如对象没有分配额外内存，那等着deallocate进行内存释放即可

三. SGI STL独有的空间配置器alloc

1. 各个版本的allocate

• VC和BC5版本的allocate，本质上就是对new和delete的调用
• GNU 2.9版本的allocate，采用的是其独特的空间配置器alloc （虽然有标准接口allocate，但是其没有调用，这个标准接口的存在纯粹是为了与旧版本的代码适配）
• GNU 4.9时，allocate又变回了对new和delete的简单封装，原有的那个版本被改名为 __poll_alloc （内存池，也是很贴合它的本质）
• 我查看自己的编译器 gcc 11.2.0 （mingw版） 同样容器适配的是标准接口的allocate（面向类型），同时底层也是使用delete和new实现的

2. alloc空间配置器的独特结构

双层配置器：

alloc独特的设计

• 一级空间配置器：直接使用malloc与free来进行空间配置（没有使用new和delete）
• 二级空间配置器：使用内存池技术，对于过小的内存块，使用内存池进行统一管理

一级配置器

​ 一级配置器与其他版本的配置器比较相似，是直接分配一块内存，略有区别的是其使用的是malloc与free来操作内存。

​ 《STL源码剖析》的猜测为： 一为历史因素，二是因为C++并未提供相应与realloc（）的内存分配操作

二级配置器

​ 这是其独特的地方，其使用了内存池来进行统一管理

什么是内存池

​ 简单来说，就是申请一块较大的内存，然后使用其他程序来对其分块，每次要使用的话就从中取出一块

为什么要使用内存池

​ 对于每块申请的内存，其都有一块cookie来记录其大小——这就是额外的开销，当内存块太小时，大量的额外开销会带来很大的浪费，因此采用内存池是一个降低开销的好办法——它一次只申请一块较大的内存，额外开销很小。

​ 同时我觉得还有一个方面，就是内存的申请需要一定的时间，而内存池调用空闲内存只要在空闲的小内存块中选择即可，释放内存只需要将其归为空闲内存块即可，这方面的开销较低。

二级配置器的内存池的具体实现

​ 如果内存足够大，超过128B时，就将其移交给一级配置器处理。

​ 内存池中相同大小的内存区块是以链表形式连接的——链表的指针域会有一定的开销，但是将链表的数据域作为分配的内存移交出去的时候，节点的指针域是不需要使用的——而将内存放入链表中时，数据域也没有作用。因此可以使用共用体来处理

union obj{union obj * free_list_link;    // 指向下一个空间节点 指针域char client_data[1];// 作为一个数据域的开头
}
这个char client_data[1]很有迷惑性，看起来空间只有1字节那么大，实际上只是指明起点而已，具体大小要具体分析

​ 内存池中有16个相关的链表（free-lists）（因为是一大块静态内存，也可以说是静态链表），对应的区块大小均为8的倍数，即 8,16,24,32,40,…,128 B，因此在进行取区块的时候，程序会对需要的内存数上取整为8的倍数（会带来微不足道的额外内存分配）

​

• 因此调用二级配置器时，只需要从对应的链表中取出空闲区块（头指针指向的第一个节点），取下之后，将头结点指向其next
• 要归还区块（deallocate）时，使用头插法将区块插入作为链表的第一个节点即可
• 假如对应链表已经没有空闲区块（头指针指向NULL），那需要重新分配内存产生新的节点放入free-lists——使用malloc分配或者从节点内存更大的链表处取，将其初始化的思路也就是我将其称为静态链表的原因——通过这个大区块的地址，第 n 块的地址位为起始地址 +（n-1）*小区块大小 即可推出

3. alloc用于适配STL标准的通用接口simple_alloc

​ 因为alloc不符合STL标准：alloc是面向字节分配的，而STL规定是为class template，需要面向类型

​ 因此对其有一个简单的封装——通过sizeof来调用alloc，使配置器的配置单位从bytes转为面向元素的大小

template<class T,class Alloc>
class simple_alloc{public:static T*allocate(size_t n){ return 0==n? 0 : (T*)Alloc::allocate(n*sizeof(T));}static T*allocate(void){ return (T*)Alloc::allocate(n*sizeof(T));}static void deallocate(T *p,size_t n){ if(0!=n) Alloc::deallocate(p,n*sizeof(T));}static void deallocate(T *p){ Alloc::deallocate(p, sizeof(T));}
};

4. SGI 容器对于alloc的匹配

默认配置器为alloc，在内部会定义对应的simple_alloc，然后使用simple_alloc来进行操作

四. 关于allocate变化的思考

​ 侯捷老师在课上和书内均没有提到为什么GNU要改回简单封装的new和delete，我经过查阅资料，现在的malloc本身已经实现了内存池技术，因此allocate就不需要自己来手动操作了。

​ 好像这样一来旧版的alloc就不适用了。其实不然，这个架构依然是有很大的学习价值的，并不会因为现在版本的更新而消退。

五. 内存基本处理工具

STL定义有5个全局函数作用于未初始化的空间上

construct

前面已经介绍过

destroy

前面同样介绍过

uninitialized_fill_n

接受三个参数：

• 迭代器first指向初始化空间的起始处
• n 表示初始化元素的数量
• x表示初值

简单来说就是将[first,first+n)范围内的元素全部赋值为 x

在进行操作的时候需要判断元素是否为POD类型

POD意指Plain Old Data，也就是标量类型或传统的C struct类型，POD的构造函数/析构函数/拷贝赋值函数等必然为trivial类型

因此面对POD类型可以采用最有效率的初值填写（也就是直接赋值）手法，面对non-POD类型采用更保险的做法（非trivial的构造函数可能有额外操作，因此不能用初值填写的方式）：

• 面对POD类型，直接调用高阶函数 fill_n
• 面对非POD类型，进行遍历然后逐个调用construct函数进行构造

uninitialized_copy

接受三个参数

• first 指向输入端的起始位置
• last 指向输入端的结束位置
• result指向输出端的起始处

简单来说就是将[first,last)的元素拷贝到[result,result+(last-first) 的位置

与上面同样，进行POD类型判断

• POD类型 直接调用高阶函数 copy
• 非POD类型逐个调用construct

uninitialized_fill

接受三个参数

• first 指向输入端的起始位置
• last 指向输入端的结束位置
• x 表示初值

简单来说就是将[first,last)的元素赋值为x

与上面同样，进行POD类型判断

• POD类型 直接调用高阶函数 fill
• 非POD类型逐个调用 construct

程序如何进行类型选择

入口函数使用类型萃取（type traits）获取其POD类型__type_traits<T1>::is_POD_type，将结果作为一个参数调用多路选择函数（针对POD萃取结果进行了函数重载）

uninitialized_xxx 系列函数与其对应的高阶函数的区别是什么

其作用于未初始化的空间，调用的是construct，（假如是POD类型则没有区别）

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