MyTinySTL学习之内存分配器：allocator.h（二）

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MyTinySTL学习之内存分配器：allocator.h（二）源码阅读

引言

  • 在allocator.h（一）中，我们知道了allocator是什么（一种two-stage内存模型），allocator在STL中的作用（容器背后的无名英雄，当我们使用容器申请内存时，内部就是STL帮我们合理的调用allocator），在知道了allocator的一些基本原理后，在这一节我们就来进行allocator.h的源码阅读。
  • 本系列博客所学习的MyTinySTL为Github上基于C++11的开源项目，项目地址为:(github.com/Alinshans/M…) 这个项目在Github上已经有6.2k的stars,感谢Alinshans大佬开源这个优质的学习项目。

源码阅读

allocator.h

  • allocator类的实现分为两个部分：①提供STL标准化的类型接口 ②提供4组功能函数接口，下面分别从allocator类的整体定义、STL标准化类型接口和4组功能函数的定义来学习整个头文件。

  1. allocator类的定义

    2-1.png

  • 由上图可见，allocator是一个模板类，在类中不仅实现了上一篇文章提到的用来管理内存的4组接口函数，还使用typedef定义了一堆“奇怪的类型别名”，接下来就分别介绍这两组成员。
  1. STL标准类型接口

  • 为什么要在allocator类中定义这些接口?:STL是由6大部件构成的，其中容器和算法是相互独立的两个部分，它们只关注于自己的实现，而并不了解对方，所以就需要一个组件来成为它们中间的桥梁，而iterator就是这个桥梁。当算法想要通过iterator去操控容器中的元素，就要先知道这个容器中的iterator有哪些性质，然后根据不同的性质，做出最佳选择（补充说明：iterator的associated type分为元素相关、迭代器范围相关和5种迭代器类型，前两种都在allocator中定义，然后由容器通过typedef获取，最后一种则直接由各个容器实现自己的迭代器移动规则，所以在allocator中只需要实现前两种）。--------->此时问题来了，每个容器的实例都有自己的类型，当算法询问时，iterator如何知道当前容器中iterator的这些具体的associated type呢？那只能制定一个共同的接口，让各个类类型将各自的associated type都typedef为这些共同的接口，这样iterator就可以通过这些接口，获取各个实例容器中实际的associated type实参。这样迭代器在被算法询问时，就可以回答算法对当前容器中iterator的assocaited type的提问。又因为一块内存上可存放的元素类型和内存范围是allocator决定的，所以这方面相关的内容由allocator实现，在各个容器的实现中，只需要再用一次typedef用allocator中的标准接口来初始化自己的标准接口即可。而各个类的Iterator class中也都有这些同名的类型接口，容器实例中的别名（此时成为了实例的类型）作为实参传递给Iterator里的别名。

  • 关于I::标准别名的补充说明（iterator_traits）：细心的你可能发现，并不是所有迭代器都有能力实现I::标准别名的。例如vector的iterator就是C++内置指针，即它是一个non-class iterator，所以它没有能力定义自己的5个associated type，这时候它是如何回答算法的问题的呢？这里提前了解一下iterator_traits。在为一个容器定义Iterator class时，该Iterator class中必须提供5种associated type（定义格式如下），用于回答算法的提问（定义格式如下）。

    以list容器的Iterator class为例：

template<typename _Tp>
struct iterator{
    typedef std::bidirectional_iterator_tag    iterator_category;//迭代器类型（5种中的哪个）
    typedef _Tp          value_type;//迭代器所指的元素类型（实参为当前实例容器中的元素类型）
    typedef _Tp*         pointer;//元素指针
    typedef _Tp&         reference;//元素引用
    typedef ptrdiff_t    difference;//C++内置的数据类型（一般为long int），用来保存两个指针相减的结果
    ·····
};

    算法对class iterator的associated type的提问方式：I::类型接口名

template<typename I>
inline void algorithm(I first,I last){
    ·····
    I::iterator_category
    I::pointer
    I::reference
    I::value_type
    I::difference
    ·····        
}

  • 看到这里也许你会觉得好像没有traits啥事，但如果当iterator不是一个类，而是C++内置指针，这时候怎么办呢？很明显没法用I::类型名接口的方式来提问，此时就需要traits来发挥作用！间接访问iterator的类型，访问方式如下。

        算法对non-class iterator的associated type的提问方式：
    template<typename I,...>
    void algorithm{
         typename iterator_traits<I>::value_type v1; 
    }

  • iterator_traits在接受I之后，告诉value_type它是什么值，这样就得到了non-class iterator的associated type。iterator_traits的实现和工作原理是模板偏特化，具体源码等看到具体iterator.h时再讨论。

  1. 功能函数接口的实现

  • 3.1 allocate()的定义:

    2-2.png

  • ①从上图可以看出，作者为allocate实现了两个重载版本，如果没有传入实参就分配一个T类型的大小的空间，如果传入参数，就分配n*sizeof(T)大小的内存空间。

  • ②operator new（）:可以看出allocate()在内部调用的是operator new()，这是个什么函数呢？看一下gcc的源码。 2-3.png

  • 从上面的源码可以看到，operator new()接受一个实参sz（表示需要分配的字节数）后，首先对sz进行一个是否为0的判断，如果sz为0就将其置1，因为malloc(0)是不可预期的，必须避免，然后在while循环中调用malloc(sz)申请内存，直到申请成功或抛出异常或ABORT。所以operator new()的功能就是调用malloc()分配内存，然后返回一个指向该内存首地址的void型指针。

    • 补充说明：①_builtin_expect(express,res)函数就是告诉编译器express最可能的取值是res,这样将”分支转义信息告诉编译器，编译器可以对代码进行优化“。②handler,当malloc()分配失败时就会进入while执行new_handler函数，来提示分配错误的信息。

  • ③static_cast<target>(source)函数：C++提供的类型转换函数，static_cast用于进行低风险的类型转换（eg.低精度int到高精度double），即如果你想要执行的转换是高风险的（eg.高进度double到低精度int、整型和指针间的相互转换），它就会直接编译错误，降低类型转换带来的风险。这样就可以将void类型的指针转换为T*类型返回。

  • 所以allocate()的功能就是调用malloc()分配内存，然后将malloc()返回的void*指针强制转换为T*指针返回。

  • 3.2 deallocate()的定义： 2-4.png

  • 从上图可以看出，deallocate()比较简单，其实就是判断指针非空后调用operator delete()，所以去看一下其在gcc中的定义。 2-5.png

  • 从上图可以看出，operator delete()就是在调用free()。 所以deallocate()的功能就是，接受一个T*指针，如果非空就调用free()释放指针所指的这块内存(这块内存的长度在malloc时，由cookie存储，所以释放时不再需要传入长度）。

  • 3.3 construct()的定义 2-6.png

  • 由上图可知，作者对construct()进行了一层封装，construct()具体的实现在construct.h中，我们来看一下该头文件中的具体实现。 2-7.png

  • 由construct()的实现，我们可以看出：①construct()至少接收一个参数（指针Ty），Ty指向allocate()分配的可存放Ty类型对象的一块原始内存的首地址。②第二参数即可以传入构造函数实参，也可以不传，对应的会调用T类对象不同的ctor在Ty所指向的内存上构造对象。③construct()其实就是在调用operator new()这个函数，而根据其参数中含有指针可以知道，调用的是其重载版本placement new()，源码如下。 2-8.png

  • 由上图可知，placement new()只是简单的返回了这个实参指针，那么它有什么用呢？事实上它可以通过以下方式在实参指针所指的内存上，调用Ty类对象的构造函数，在上面生成对象。关于placement new()的解释和使用方法可见cppreference，如下图：
    2-9.png

  • 从reference的解释中我们可以看到，placement new()仅仅是简单地、原封不动的返回它的第二参数（指向一块未初始化内存空间首地址的指针），而这个指针正是用来在allocate()得到的内存上construct object。那具体怎么在这块内存上构造对象呢？那就是在new(placement)后面接上要构造对象所属类的构造函数，其中placement就是这个指针。所以作者所实现的三种construct()，都是在间接调用同样的placement new()，只不过3个重载形式，分别调用Ty类对象的默认构造函数、含参构造函数和移动构造（减少不必要的深拷贝）。

    • 【NOTE1】其实，在看完operator new()的源码后，我们可以发现直接new一个对象的效果相当于调用operator new（）的两个重载函数，那什么场景下，需要先operator new(size)一块内存，再placement new(p)在上面构造对象呢？ 那就是当需要频繁构造和析构对象时，为了避免重复的内存分配和释放，我们可以使用这种方法，一个很常见的应用场景就是内存池的实现。
    • 【NOTE2】使用placement new()在原始内存上构造对象时，我们可以发现，其实每调用一次函数，只调用了一次构造函数，所以在构造对象时，需要一对迭代器来记录当前已经使用的内存块区间。

  • 3.4 destory()的定义 2-10.png

  • 由上图可知，allocator类中的destory函数是对mystl命名空间下destroy()函数的调用。并且有两种情况：①析构一个对象 ②析构迭代器范围内的所有对象。接下来我们去construct.h中看一看mystl::destroy()的具体定义。 2-11.png

  • 从上图可以看出，destroy的两个重载函数分别调用destroy_one()函数和destroy_cat()函数，分别用来析构单个对象/迭代器范围内的所有对象。在这两个函数中，我们发现都有一个type_traist：std::is_trivially_destructible来作其实参，这个type_traits用来询问当前类T的析构函数是否是微不足道的，如果是就返回true，如果不是就返回false。那么什么叫微不足道的呢？你可以理解成如果执不执行都一样的，那就是微不足道的，否则就是重要的。所以这个type_traits放在这里就用来询问当前class是否有自定义的析构函数，如果有就返回false，否则返回true。这样我们就知道了这两个函数的最后一个实参是true/false。接下来我们看这两个函数的具体实现。 2-12.png

  • 由上图我们可以发现，这两个函数分别由最后一个参数进行了重载，显而易见，这样做的目的就是：如果要析构的类没有自定义的析构函数，那就不执行它的默认析构。如果要析构的类有自定义的析构函数，就执行它的析构函数，来析构对象。由源码我们可以发现，destroy()其实就是通过指向（有自定义析构函数的）对象的指针，来调用该对象的析构函数，从而达到析构该对象的目的。

  • 总结：至此，MyTinySTL中关于空间分配器allocator的源码就分析完毕了，通过源码的分析，就能够很轻易的理解为什么new不够灵活，以及为什么allocator可以避免operator new()和placement new()合为整体执行带来的浪费（这种浪费在对象需要频繁构造析构的情况下是非常大的 eg.内存池）

最后：这是一篇记录学习疑惑和想法的帖子，里面的内容、表述并不一定正确，只是自己当下的理解，如有错误，还望提出您宝贵的意见。

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