面试浅谈 c++ 的空间两级配置器

最近面试c++的时候，被问到c++内存管理模型，没用过。回来看了下《STL源码解析》，这里简单总结下，不涉及具体实现。感兴趣同学可以下载电子书自己看下。

SGI版本的空间适配器设计哲学：

向system heap 要求空间。
考虑多线程状态。
考虑内存不足时的应变措施。
考虑过多“小型区块”可能造成的内存碎片（fragment）问题。

考虑到小型区块可能造成的内存碎片问题，SGI设计了双层级配置器，第一级配置器直接使用malloc()和free()，第二级配置器则视情况采用不用的策略：当配置区块超过128字节时，视之为"足够大"，便调用第一级配置器；当配置区块小于128字节时，视之为“过小”，为了降低额外负担，便采用复杂的内存池整理方式，而不再求助于第一级配置器。

一、二级配置器的关系，接口包装如下图：

第一级配置器以malloc(), free(), realloc()等C函数执行实际的内存配置、释放、重配置操作。

第二级配置器多了一些机制，避免太多小额区块造成内存的碎片。小额区块带来的其实不仅是内存碎片，配置时的额外负担也是一个大问题。额外负担永远无法避免，但是区块愈小，额外负担所占的比例就愈大，愈显得浪费。这里的额外负担指的是分配的内存需要一段信息保存内存的大小、下一个节点指针等额外信息。

SGI第二级配置器的做法是，如果区块够大，超过128字节时，就移交第一级配置器处理。当区块小于128字节时，则以内存池管理，此法又称为次层配置：每次配置一大块内存，并维护对应之自由链表(free-list)。下次若再有相同大小的内存需求，就直接从free-lists中拔出。如果客户端释放小额区块，就由配置器回收到free-lists中。为了方便管理，SGI第二级配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数，并维护16个free-lists，各自管理大小为8，16，24，32....128的小额区块。逻辑图如下：

分配内存首先判断区块大小，大于128字节就直接调用第一级配置器，小于128字节就检查对应的自由链表free-lists。如果自由链表中有可用的区块，就直接拿来使用，如果没有可用区块，则需要重新填充空间。释放的时候，首先判断区块大小，大于128字节就调用第一级配置器，小于128就找出对应的自由链表，将区块回收。

当发现自由链表中没有可用区块了时，需要为自由链表重新填充空间。新的空间将取自内存池。缺省取得20个新节点，但万一内存池空间不足，获得节点数可能小于20。内存池如果水量充足，则直接分配20个区块给free-list 。如果水量不足20个，但超过1个以上，就拨出这不足20个区块的空间出去。如果内存池连一个区块空间都无法供应，此时需要利用malloc()从heap中配置内存，为内存池注入活水以应付需求。新水量的大小为需求量的两倍，再加上一个随着配置次数增加而愈来愈大的附加量。

万一山穷水尽，整个system heap空间不够了，malloc行动失败，则四处查找有无“尚有未用区块，且区块够大”的free list，找到了就挖一块，找不到就调用第一级配置器。第一级配置器其实也是使用malloc来配置内存，但它有out-of-memory处理机制，或许有机会释放其它的内存拿来此处使用，如果可以，就成功，否则发出bad_alloc异常。

以上就是整个第二级空间配置器的设计。

总结来说：第一级负责分配大内存，直接使用malloc，第二级使用内存池加上自由链表来分配。

参考资料：

1. 《STL源码剖析》侯捷

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