STL-空间配置器-创新互联-乐山大橙子建站

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STL-空间配置器-创新互联

1、为什么需要空间配置器？

创新互联建站是由多位在大型网络公司、广告设计公司的优秀设计人员和策划人员组成的一个具有丰富经验的团队，其中包括网站策划、网页美工、网站程序员、网页设计师、平面广告设计师、网络营销人员及形象策划。承接：成都网站设计、网站建设、外贸网站建设、网站改版、网页设计制作、网站建设与维护、网络推广、数据库开发,以高性价比制作企业网站、行业门户平台等全方位的服务。

内存碎片：

STL-空间配置器

频繁分配小内存导致分配不出来大内存，这就是外碎片；并且频繁分配小内存效率低

比如，系统依次分配了16、8、16、4、8byte,还剩一个8byte未分配，这时要分配一个24byte的空间，系统回收两个16byte，总的空间剩余40byte, 但是却分配不出来一个24byte。

二级空间配置器是为频繁分配小内存而生的一种算法，其实就是消除一级空间配置器的外碎片问题

2、一级空间配置器和二级空间配置器

STL-空间配置器

如果申请的内存大小超过128，那么空间配置器就自动调用一级空间配置器。反之调用二级空间配置器。而且在这里要说明的是空间配置器默认使用的是一级空间配置器。

一、一级空间配置器

一级空间配置器是malloc-free的封装，实现类似C++中new-handler机制：一旦申请空间不成功，在丢出bad-allloc异常之前，会先调用用户自己指定的处理例程new-handler()。

一级空间配置器的allocate（）和reallocate（）都是在调用malloc和realloc不成功时，改调用oom_malloc和oom_realloc，后两者都能循环调用内存不足处理例程，期待在某次调用之后可以获得足够内存而达到目的，但是若处理例程未被用户设定，oom_malloc和oom_realloc便会抛出bad-alloc的异常或用exit(1)终止程序。

代码如下：

// 一级空间配置器（malloc/realloc/free）

template //非类型模板参数
class MallocAllocTemplate
{

//1:分配内存成功，则直接返回
//2:若分配失败，则检查是否设置处理的句柄handler
//有则调用以后再分配,不断重复这个过程，直到分配成功为止.
//没有设置处理的句柄handler，则直接结束程序
public:
static void* Allocate(size_t size) //用于分配空间

{
  void* ret = malloc(size);
  if (0 == ret)
  {
   ret = OomMalloc(size);
  }
  return ret;
}

static void Deallocate(void* p) //收回
{
free(p);
}

static void* Reallocate(void* p, size_t newsize) //用于指定地址重新分配空间
{
  void* ret = realloc(p, newsize);
  if (ret == 0)
  {
   ret = OomRealloc(p, newsize);
  }
  return ret;
}
private:
static void* OomMalloc(size_t size) //调用自定义的句柄处理函数handler释放并分配内存
{
  ALLOC_FUN handler;
  void* ret;
  while (1)
  {
   handler = MallocAllocHandler;
   if (0 == handler)
   {
    cout << "out of memory" << endl;
    exit(-1);
   }

   handler();
   ret = malloc(size);
   if (ret)
   {
    return(ret);
   }
  }
}

static void* OomRealloc(void*p, size_t newsize)
{
  ALLOC_FUN handler;
  void* ret;
  while (1)
  {
   handler = MallocAllocHandler;
   if (0 == handler)
   {
    cout << "out of memory" << endl;
    exit(-1);
   }

   handler();
   ret = realloc(newsize);
   if (ret)
   {
    return(ret);
   }
  }
}
static void(*SetMallocHandler(void(*f)()))(); //设置操作系统分配内存失败时的句柄处理函数
{
  void(*tmp)() = MallocAllocHandler;
  MallocAllocHandler = f;
  return(tmp);
}

};
template
ALLOC_FUN MallocAllocTemplate::MallocAllocHander = 0; //句柄函数初始化为0

二、二级空间配置器

二级空间配置器是由一个内存池和自由链表配合实现的

STL-空间配置器

startFree相当于水位线，标志内存池的大小

自由链表中其实是一个大小为16的指针数组，间隔为8的倍数。各自管理大小分别为8，16，24，32，40，48，56，64，72，80，88，96，104， 112，120，128 字节的小额区块。在每个下标下挂着一个链表，把同样大小的内存块链接在一起。类似于哈希桶。

代码如下：

// 二级空间配置器
template
class DefaultallocTemplate //二级空间配置器
{
public:
enum{ ALIGN = 8 }; //基准值对齐
enum{ MAX_BYTES = 128 }; //大字节
enum{ FREELISTS = MAX_BYTES / ALIGN }; //自由链表大小
union obj
{
  union obj* listLink; //自由链表中指向下一个内存块的指针
  char clientData[1]; //调试用
};
static size_t FreeListIndex(size_t bytes) //得到所需内存块在自由链表中的下标
{
  return ((bytes + ALIGN - 1) / ALIGN - 1);
}
static size_t RoundUpNum(size_t bytes) //得到内存块大小的向上对齐数(8的倍数)
{
  return (bytes + ALIGN - 1)&~(ALIGN - 1);
}
static obj* FreeList[FREELISTS]; //维护自由链表
static char* startFree; //水位线（维护内存池）
static char* endFree; //池底
static size_t heapSize;

static void* Allocate(size_t size)
{
  if (size > MAX_BYTES)
  {
   return MallocAllocTemplate::Allocate(size);
  }
  void* ret = NULL;
  size_t index = FreeListIndex(size);

  if (FreeList[index]) //自由链表上有内存块
  {
   obj* ret = FreeList[index]; //取走当前下标的第一个给用户
   FreeList[index] = ret->listLink; //FreeList[index]指向下一个
  }
  else  //若自由链表没有，则调用refill从内存池填充自由链表并返回内存池的第一个内存块
  {
   return Refill(RoundUpNum(size));
  }
  return ret;
}

static void* Reallocate(void* p, size_t oldsize, size_t newsize)
{
  void* ret = NULL;
  if (oldsize > (size_t)MAX_BYTES&&newsize > (size_t)MAX_BYTES)
   return (realloc(p, newsize));
  if (RoundUpNum(oldsize) == RoundUpNum(newsize))
   return p;
  ret = Allocate(newsize);
  size_t copysize = oldsize > newsize ? newsize : oldsize;
  memcopy(ret, p, copysize);
  DeAllocate(p, oldsize);
  return ret;
}
static void Deallocate(void* p, size_t size)
{
  if (size> MAX_BYTES) //如果大于MAX_BYTES直接交还给一级空间配置器释放
   return MallocAllocTemplate::Deallocate(p, size);
  else //放回二级空间配置器的自由链表
  {
   size_t index = FreeListIndex(size);
   obj* tmp = (obj*)p;
   tmp->listLink = FreeList[index];
   Freelist[index] = tmp;
  }
}

//从内存池拿出内存填充自由链表
static void* Refill(size_t size)
{
  int nobjs = 20;//申请20个size大小的内存块
  char* chunk = ChunkAlloc(size, nobjs);
  if (nobjs == 1) //只分配到一个内存
  {
   return chunk;
  }

  size_t index = FreeListIndex(size);
  obj* cur = chunk + size;
  obj* next = NULL;

  //将剩余内存块挂到自由链表上
  FreeList[index] = cur;
  for (int i = 1; i < nobjs-1; ++i)
  {
   next=(obj*)((char*)cur +size);
   cur->listLink = next;
   cur = next;
  }
  cur->listLink = NULL;
  return chunk;
}

//从内存池中分配大块内存
static char* ChunkAlloc(size_t size, int& nobjs)
{
  char* ret = NULL;
  size_t Leftbytes = endFree - startFree; //剩余的内存块
  size_t Needbytes = size * nobjs; //所总共需要的内存块
  if (Leftbytes >= Needbytes)
  {
   ret = startFree;
   startFree += Needbytes;
  }
  else if (Leftbytes >= size) //不够分配总size大小，但是够分配单个size大小的
  {
   ret = startFree;
   nobjs = Leftbytes / size;
   startFree += nobjs*size;
  }
  else    //一个内存块都分配不出来
  {
   if (Leftbytes > 0)
   {
    size_t index = FreeListIndex(Leftbytes);
    ((obj*)startFree)->listLink = FreeList[index];
    FreeList[index] = (obj*)startFree;
    startFree = NULL;
   }
   //向操作系统申请2倍Needbytes加上已分配的heapsize/8的内存到内存池
   size_t getBytes = 2 * Needbytes + RoundUpNum(heapSize >> 4);
   startFree = (char*)malloc(getBytes);
   if (startFree == NULL) //从系统堆中分配内存失败
   {
    //到后面更大的自由链表中去取
    for (int i = size; i < MAX_BYTES; i += ALIGN)
    {
     size_t index = FreeList[FreeListIndex(i)];
     if (FreeList[index])
     {
      startFree = FreeList[index];
      FreeList[index] = FreeList[index]->listLink;
      endFree = startFree + size;
      return ChunkAlloc(size, nobjs);
     }
    }
    //山穷水尽
    //最后的一根救命稻草，找一级空间配置器分配内存
    //（其他进程归还内存，调用自定义的句柄处理函数释放内存）
    startFree = MallocAllocTemplate::Allocate(getBytes);
   }
   heapSize += getBytes; //从系统堆分配的总字节数（可以用于下次分配时进行调节）
   endFree = startFree + getBytes;

   return ChunkAlloc(size, nobjs); //递归调用获取内存
  }
  return ret;
}
};
template
typename DefaultAllocTemplate::obj*
DefaultAllocTemplate::FreeList[FREELISTSIZE] = { 0 };

template
char* DefaultAllocTemplate::startFree = 0;

template
char* DefaultAllocTemplate::endFree = 0;

template
size_t DefaultAllocTemplate::heapSize = 0;

部分代码解释：

static size_t FreeListIndex(size_t bytes)//得到所需内存块在自由链表中的下标
{
return ((bytes + ALIGN - 1) / ALIGN - 1);
}

此函数就是找到需要分配的内存块在自由链表中的什么地方，((bytes + ALIGN - 1) / ALIGN - 1），把要分配的内存大小提升一个数量级（+7，每间隔8为一个数量级），然后除以8，减1，刚好能找到对应的下标，取出一块内存块给用户。

static size_t RoundUpNum(size_t bytes) //得到内存块大小的向上对齐数(8的倍数)
{
return (bytes + ALIGN - 1)&~(ALIGN - 1);
}

此函数是得到所需内存块大小的向上对齐数。在自由链表中，内存块大小总是8的倍数，但是并不是每次所需内存大小都是8的倍数。所以就要取比所需大小大或相等的内存块，这就是向上取整。&~(ALIGN - 1)相当于将低8位置0，只取高8位，高8位总是8的倍数，正好符合题意。

很关键的两个函数static void* Refill(size_t size)和static char* ChunkAlloc(size_t size, int& nobjs)：

//从内存池拿出内存填充自由链表
static void* Refill(size_t size)
{
  int nobjs = 20;//申请20个size大小的内存块
  char* chunk = ChunkAlloc(size, nobjs);
  if (nobjs == 1)//只分配到一个内存
  {
   return chunk;
  }

  size_t index = FreeListIndex(size);
  obj* cur = chunk + size;
  obj* next = NULL;

STL-空间配置器

当在自由链表的下标处没有内存块时，我们就必须调用refill去填充自由链表。申请时一般一次性申请20个内存块大小的内存。通过移动startFree指针将内存池内的一段内存给“切割”出来，然后切成小块挂在自由链表下面。返回第一块内存块给用户，其余的都挂在自由链表下，方便下次分配，根据局部性原理，这将极大地提升了分配内存空间的效率。

//从内存池中分配大块内存
static char* ChunkAlloc(size_t size, int& nobjs)
{
  char* ret = NULL;
  size_t Leftbytes = endFree - startFree; //剩余的内存块
  size_t Needbytes = size * nobjs; //所总共需要的内存块
  if (Leftbytes >= Needbytes)
  {
   ret = startFree;
   startFree += Needbytes;
  }
  else if (Leftbytes >= size) //不够分配总size大小，但是够分配单个size大小的
  {
   ret = startFree;
   nobjs = Leftbytes / size;
   startFree += nobjs*size;
  }
  else    //一个内存块都分配不出来
  {
   if (Leftbytes > 0)
   {
    size_t index = FreeListIndex(Leftbytes);
    ((obj*)startFree)->listLink = FreeList[index];
    FreeList[index] = (obj*)startFree;
    startFree = NULL;
   }
   //向操作系统申请2倍Needbytes加上已分配的heapsize/8的内存到内存池
   size_t getBytes = 2 * Needbytes + RoundUpNum(heapSize >> 4);
   startFree = (char*)malloc(getBytes);
   if (startFree == NULL) //从系统堆中分配内存失败
   {
    //到后面更大的自由链表中去取
    for (int i = size; i < MAX_BYTES; i += ALIGN)
    {
     size_t index = FreeList[FreeListIndex(i)];
     if (FreeList[index])
     {
      startFree = FreeList[index];
      FreeList[index] = FreeList[index]->listLink;
      endFree = startFree + size;
      return ChunkAlloc(size, nobjs);
     }
    }
    //山穷水尽
    //最后的一根救命稻草，找一级空间配置器分配内存
    //（其他进程归还内存，调用自定义的句柄处理函数释放内存）
    startFree = MallocAllocTemplate::Allocate(getBytes);
   }
   heapSize += getBytes; //从系统堆分配的总字节数（可以用于下次分配时进行调节）
   endFree = startFree + getBytes;

   return ChunkAlloc(size, nobjs); //递归调用获取内存
  }
  return ret;
}

ChunkAlloc要做的就是去找操作系统要内存，一次性要20个，但是要考虑很多情况：

（1）内存池里有足够20块大的内存

（2）内存池里有小于20块大于等于1块的内存大小

（3）内存池里连1块内存那么大的都没有

具体这样做：

（1）如果有足够的内存，那么一次性就给20块，返回第一块给用户，其余的挂在自由链表上。
（2）只有一块或者多块，返回一块给用户。
（3）没有内存了，找操作系统要。
（4）操作系统没有了，启用最后一根救命稻草，调用一级空间配置器，通过句柄函数释放内存，分配内存。

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