STL記憶體管理器的分配策略

stl提供了很多泛型容器，如vector，list和map。程式設計師在使用這些容器時只需關心何時往容器內塞物件，而不用關心如何管理記憶體，需要用多少記憶體，這些stl容器極大地方便了c++程式的編寫。例如可以通過以下語句建立乙個vector，它實際上是乙個按需增長的動態陣列，其每個元素的型別為int整型：

stl::vectorarray;

擁有這樣乙個動態陣列後，使用者只需要呼叫push_back方法往裡面新增物件，而不需要考慮需要多少記憶體：

array.push_back(10); 
array.push_back(2);

vector會根據需要自動增長記憶體，在array退出其作用域時也會自動銷毀占有的記憶體，這些對於使用者來說是透明的，stl容器巧妙的避開了繁瑣且易出錯的記憶體管理工作。

隱藏在這些容器後的記憶體管理工作是通過stl提供的乙個預設的allocator實現的。當然，使用者也可以定製自己的allocator，只要實現allocator模板所定義的介面方法即可，然後通過將自定義的allocator作為模板引數傳遞給stl容器，建立乙個使用自定義allocator的stl容器物件，如：

stl::vectorarray;

大多數情況下，stl預設的allocator就已經足夠了。這個allocator是乙個由兩級分配器構成的記憶體管理器，當申請的記憶體大小大於128byte時，就啟動第一級分配器通過malloc直接向系統的堆空間分配，如果申請的記憶體大小小於128byte時，就啟動第二級分配器，從乙個預先分配好的記憶體池中取一塊記憶體交付給使用者，這個記憶體池由16個不同大小（8的倍數，8~128byte）的空閒列表組成，allocator會根據申請記憶體的大小（將這個大小round up成8的倍數）從對應的空閒塊列表取表頭塊給使用者。

這種做法有兩個優點：

1）小物件的快速分配。小物件是從記憶體池分配的，這個記憶體池是系統呼叫一次malloc分配一塊足夠大的區域給程式備用，當記憶體池耗盡時再向系統申請一塊新的區域，整個過程類似於批發和零售，起先是由allocator向總經商批發一定量的貨物，然後零售給使用者，與每次都總經商要乙個貨物再零售給使用者的過程相比，顯然是快捷了。當然，這裡的乙個問題時，記憶體池會帶來一些記憶體的浪費，比如當只需分配乙個小物件時，為了這個小物件可能要申請一大塊的記憶體池，但這個浪費還是值得的，況且這種情況在實際應用中也並不多見。

2）避免了記憶體碎片的生成。程式中的小物件的分配極易造成記憶體碎片，給作業系統的記憶體管理帶來了很大壓力，系統中碎片的增多不但會影響記憶體分配的速度，而且會極大地降低記憶體的利用率。以記憶體池組織小物件的記憶體，從系統的角度看，只是一大塊記憶體池，看不到小物件記憶體的分配和釋放。

實現時，allocator需要維護乙個儲存16個空閒塊列表表頭的陣列free_list，陣列元素i是乙個指向塊大小為8*(i+1)位元組的空閒塊列表的表頭，乙個指向記憶體池起始位址的指標start_free和乙個指向結束位址的指標end_free。空閒塊列表節點的結構如下：

union obj ;

這個結構可以看做是從乙個記憶體塊中摳出4個位元組大小來，當這個記憶體塊空閒時，它儲存了下個空閒塊，當這個記憶體塊交付給使用者時，它儲存的時使用者的資料。因此，allocator中的空閒塊鍊錶可以表示成：obj* free_list[16];

allocator分配記憶體的演算法如下：

演算法：allocate 
輸入：申請記憶體的大小size 
} else 
}

重新填充演算法：

演算法： refill 輸入：記憶體塊的大小size

}

塊分配演算法：

演算法：chunk_alloc 
輸入：記憶體塊的大小size，預分配的記憶體塊塊數nobj(以引用傳遞) 
else if(記憶體池中不夠分配nobj個記憶體塊，但至少可以分配乙個) 
else 
} 更新end_free為start_free+total_bytes，heap_size為2倍的total_bytes; 
呼叫chunk_alloc(size,nobj); 
}

假設這樣乙個場景，free_list[2]已經指向了大小為24位元組的空閒塊鍊錶，如圖1所示，當使用者向allocator申請21位元組大小的記憶體塊時，allocaotr會首先檢查free_list[2]並將free_list[2]所指的記憶體塊分配給使用者，然後將表頭指向下乙個可用的空閒塊，如圖2所示。注意，當記憶體塊在鍊錶上是，前4個位元組是用作指向下乙個空閒塊，當分配給使用者時，它是一塊普通的記憶體區。

圖1 某時刻allocator的狀態

圖2 分配24位元組大小的記憶體塊

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