STL空间配置器（一级配置器及二级配置器）

前言

在我们日常使用STL中的容器时，我们是几乎感受不到空间配置器的存在，因为他一直在默默工作，我们在之前的这一篇博客中也大概介绍过：C++（21）——vector及实现自定义vector以及allocator和iterator空间配置器，整个STL的操作对象都存放在容器之后。而容器需要配置空间以放置资料，这也就是空间配置器的作用。

注：STL提供了自定义空间配置器的接口，但是不建议自己定义，因为系统提供的空间配置器是足够安全且高效的，所以在我们使用时，一般会使用默认的配置器。

template<class T,class Alloc = allocator<T>>

空间配置器的基本原理

为了精密分工，STL将new和delete分别的两阶段动作分开：

• 内存配置操作由成员函数allocate()负责
• 内存释放操作由成员函数deallcate()负责。
• 对象构造操作由成员函数construct()负责
• 对象析构操作由成员函数destroy()负责

内存分配过程中需要考虑的问题：

1. 小块内存带来的内存碎片问题
2. 小块内存频繁申请释放带来的性能问题

解释：内存碎片问题是指;单从分配的角度来看。由于频繁分配、释放小块内存容易在堆中造成外碎片(极端情况下就是堆中空闲的内存总量满足一个请求，但是这些空闲的块都不连续，导致任何一个单独的空闲的块都无法满足这个请求)。

为了解决该类问题，STL设计了双层级配置器，也就是第一级配置器和第二级配置器

• 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同的策略：
• ①当配置区块大于128bytes，将其视作足够大，便调用第一级配置器；
• ②当配置区块小于128bytes，将其视作过小，为降低额外负担，便采用内存池的管理方式

解释：内存池的思想：一次向heap申请一块很大的内存(内存池)，如果申请小块内存的话就直接到内存池中去要。这样的话，就能够有效的解决上面所提到的问题。

具体讲解

一级配置器

SGI（STL的版本）的第一级配置器以malloc，free，realloc等C函数执行实际的内存配置，释放，重配置操作，当malloc或者realloc调用不成功时，改为调用malloc_alloc_oom_malloc或者malloc_alloc_oom_realloc，它俩都有内循环，不断调用，期望在某次调用之后，获得足够的内存，但是如果“内存不足的这个处理例程”未被客户端设定，则直接抛出bad_alloc异常，或者终止程序。

注意—— 设计内存不足处理例程和设定内存不足处理例程都是客户端的责任。

二级配置器

二级配置器使用内存池+自由链表的形式避免了小块内存带来的碎片化，提高了内存分配的效率以及内存利用率。

不要忘了前面说的：只有要申请的空间小于128bytes时才会调用二级空间配置器

二级配置器的大致结构

在图中，我们看到一共有16个free-list，从第一个开始每一个链表管理的区块分别是：8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128字节的小额区块。

free-list结点定义如下：

 union obj {
        union obj* free_list_link;
        char client_data[1];    /* The client sees this.*/
  };

想想union的特性：union节省了内存，这样每个结点就不需要额外的指针。

注意：如果用户申请的内存大小不是8的倍数，二级配置器会将申请的字节数上调至距离用户申请大小的最近的8的倍数处。（这里带来了内碎片问题，和之前谈到的外碎片问题相比，这个问题我们无法避免）

问题： 内存块为什么必须要以8位单位呢，把1作为单位不就可以避免这个问题了吗？
——我们的内存块是像链表一样连接起来的，这样就必然需要指针来维护， 32位平台下指针4字节，64位平台下指针8字节，所以内存块最小也要能存放一个指吧，这样就清楚了为什么是8字节。

二级配置器是以内存池管理的，每次从系统中配置一大块内存，并维护与之对应的自由链表free-list

• 如果用户申请内存，有相同大小的需要就直接从free-list中分配。
• 如果用户归还内存时，将根据归还内存快的大小，将需要归还的内存插入到对应free-list的最顶端。

场景1：free-list中存在对应的内存块
假设我们申请32bytes空间根据FREELIST_INDEX函数找到对应下标3，即应该在free_list[3]中取区块，而且这时free_list[3]中有内存，我们就将第一个内存块返回给用户，并调整指针指向后面的内存块。

场景2：free-list中没有对应的内存块

• 假设我们申请72bytes空间的大小，此时free-list中没有对应的内存块，这时候就需要调动refill函数向内存池申请填充free-list了。
• 假设内存池中也没有空间，这时候就需要配置heap空间来补充内存池,此时调用了函数chunk_alloc

综合上面的一些情况，我们来做一个总结：

二级配置器的内存分配

1. free_list列表中有空余内存。如果申请3个字节的内存，则所需空间大小提升为8的倍数，然后去 free_list中查找相应的链表，如果 free_list[i] 不为空，则返回第一个元素，然后把头指针往后移。
2. free_list列表中没有空余，但内存池不为空。首先检验内存池中的大小是不是比申请的内存大，比如申请20*8的内存，如果足够，则分配相应内存，将其中一个分配给用户使用，其它的挂在相应的free_list 中。如果内存池不够大，只够几个内存分配，则就分配这几个，把相应的数据返回。如果连一个都不够则执行第三中情况。
3. free_list列表中没有空余，内存池也不够。调用malloc重新分配内存，分配时会多分配一倍的内存，把相应的内存挂到free_list下，剩余的放到内存池中。
4. free_list列表中没有空余，内存池也不够，malloc也失败。则调用一级空间配置器，里面会有循环处理，或者抛出异常。

总结

1. 内存碎片的问题，自由链表所挂区块都是8的整数倍，因此当我们需要非8倍数的区块，往往会导致浪费。
2. 我们并没有释放内存池中的区块。释放需要到程序结束之后。这样子会导致自由链表一直占用内存，其它进程使用不了。