如何在 C++ 中模拟堆栈帧？

Question

我正在编写一个容器，它在内部使用alloca 在堆栈上分配数据。 Risks of using alloca aside，假设我必须将它用于我所在的领域（部分是围绕 alloca 的学习练习，部分是为了研究动态大小的堆栈分配容器的可能实现）。

根据man page for alloca（强调我的）：

alloca() 函数在调用者的栈帧中分配 size 个字节的空间。 当调用 alloca() 的函数返回给它的调用者时，这个临时空间会自动释放。

使用特定于实现的功能，我设法强制内联，使调用者堆栈用于此函数级“范围”。

但是，这意味着以下代码将在堆栈上分配大量内存（编译器优化除外）：

for(auto iteration : range(0, 10000)) {
    // the ctor parameter is the number of
    // instances of T to allocate on the stack,
    // it's not normally known at compile-time
    my_container<T> instance(32);
}

在不知道这个容器的实现细节的情况下，人们可能会期望当instance 超出范围时它分配的任何内存都会被释放。情况并非如此，并且可能导致在封闭函数期间出现堆栈溢出/高内存使用。

想到的一种方法是显式释放析构函数中的内存。由于没有对生成的程序集进行逆向工程，我还没有找到一种方法（另请参阅this）。

我想到的唯一其他方法是在编译时指定最大大小，使用它来分配固定大小的缓冲区，在运行时指定实际大小并在内部使用固定大小的缓冲区。这样做的问题是它可能非常浪费（假设每个容器的最大值为 256 个字节，但大多数时候只需要 32 个字节）。

因此提出了这个问题；我想找到一种方法来为这个容器的用户提供这些范围语义。不可移植是好的，只要它在其目标平台上是可靠的（例如，一些仅适用于 x86_64 的文档化编译器扩展就可以了）。

我很欣赏这可能是XY problem，所以让我清楚地重申我的目标：

• 我正在编写一个容器，该容器必须始终在堆栈上分配其内存（据我所知，这排除了 C VLA）。
• 容器的大小在编译时是未知的。
• 我希望保持内存的语义，就好像它由容器内的 std::unique_ptr 持有一样。
• 虽然容器必须具有 C++ API，但使用 C 中的编译器扩展也可以。
• 代码现在只需要在 x86_64 上运行。
• 目标操作系统可以是基于 Linux 的操作系统，也可以是基于 Windows 的操作系统，无需同时在两者上运行。

Answer 1

我正在编写一个必须始终在堆栈上分配其内存的容器（据我所知，这排除了 C VLA）。

大多数编译器中 C VLA 的正常实现是在堆栈上。当然，ISO C++ 没有说明如何自动存储是在底层实现的，但它（几乎？）对于普通机器（确实有一个调用+数据堆栈）上的 C 实现是通用的将其用于所有自动存储，包括 VLA。

如果您的 VLA 太大，您会遇到堆栈溢出，而不是退回到 malloc / free。

C 和 C++ 都没有指定alloca；它仅适用于具有类似于“普通”机器的堆栈的实现，即您可以期望 VLA 执行您想要的操作的同一台机器。

所有这些条件都适用于 x86-64 上的所有主要编译器（除了 MSVC 不支持 VLA）。

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如果您的 C++ 编译器支持 C99 VLA（如 GNU C++），智能编译器可能会为具有循环范围的 VLA 重用相同的堆栈内存。

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在编译时指定最大大小，用它来分配固定大小的缓冲区...浪费

对于您提到的特殊情况，您可以将固定大小的缓冲区作为对象的一部分（大小作为模板参数），如果它足够大，就使用它。如果没有，动态分配。也许使用指针成员指向内部或外部缓冲区，并在析构函数中使用标志来记住是否delete。 （当然，您需要避免在作为对象一部分的数组上使用delete。）

// optionally static_assert (! (internalsize & (internalsize-1), "internalsize not a power of 2")
// if you do anything that's easier with a power of 2 size
template <type T, size_t internalsize>
class my_container {
    T *data;
    T internaldata[internalsize];
    unsigned used_size;
    int allocated_size;   // intended for small containers: use int instead of size_t
    // bool needs_delete;     // negative allocated size means internal
}

allocated_size 只需要在它增长时进行检查，所以我将它设为signed int，这样我们就可以重载它而不需要额外的布尔成员。

通常一个容器使用 3 个指针而不是指针 + 2 个整数，但如果你不经常增长/收缩，那么我们会节省空间（在 x86-64 上，int 是 32 位，指针是 64 位），并允许这种重载。

增长到足以需要动态分配的容器应继续使用该空间，但随后缩小应继续使用动态空间，因此再次增长的成本更低，并且避免复制回内部存储。除非调用者使用函数释放未使用的多余存储，否则复制回来。

移动构造函数应该保持分配原样，但复制构造函数应该尽可能复制到内部缓冲区，而不是分配新的动态存储。