C++中的分配器是如何实现的？

Question

我试图在 C++ 中更好地理解std::allocator，我遇到了this question，在我看来实际上只有一个容器通常使用的分配器类（如std::vector）我的问题是如何这样的分配器实现了吗？它就像一个定期重新分配的堆栈吗？如果不是，它实际上是如何实现的？

Answer 1

默认分配器是std::allocator，只在需要时使用::operator new，所以没什么特别的。这与为所需的每个对象自己执行new 和delete 大致相同。您可以在标准中的[default.allocator] 下阅读更多相关信息。

分配器“接口”（实际上只是一组要求，在模板实例化期间强制执行）是这个过程的包装器，允许采用替代的内存供应方法。

例如，您可能提供的替代分配器可以实现 memory pool 或其他特定于您需求的东西，从而减少诚实的动态分配。

标准容器除了它们的元素类型外，还有一个分配器类型作为模板参数（您通常不会注意到这一点！），这就是您选择与该容器一起使用的替代实现的方式。

在这些情况下，您通常会预先分配一些大块内存，然后在何时分配小块。从这个意义上说，这样的实现可以被认为是一种“堆中的堆”，但实际上根本没有理由需要给它提供堆语义。只需要遵守Allocator概念的要求即可。

Josuttis 先生在http://www.josuttis.com/cppcode/allocator.html 上放了一个（无聊的）例子；我在这里复制它：

/* The following code example is taken from the book
 * "The C++ Standard Library - A Tutorial and Reference"
 * by Nicolai M. Josuttis, Addison-Wesley, 1999
 *
 * (C) Copyright Nicolai M. Josuttis 1999.
 * Permission to copy, use, modify, sell and distribute this software
 * is granted provided this copyright notice appears in all copies.
 * This software is provided "as is" without express or implied
 * warranty, and with no claim as to its suitability for any purpose.
 */
#include <limits>
#include <iostream>

namespace MyLib {
   template <class T>
   class MyAlloc {
     public:
       // type definitions
       typedef T        value_type;
       typedef T*       pointer;
       typedef const T* const_pointer;
       typedef T&       reference;
       typedef const T& const_reference;
       typedef std::size_t    size_type;
       typedef std::ptrdiff_t difference_type;

       // rebind allocator to type U
       template <class U>
       struct rebind {
           typedef MyAlloc<U> other;
       };

       // return address of values
       pointer address (reference value) const {
           return &value;
       }
       const_pointer address (const_reference value) const {
           return &value;
       }

       /* constructors and destructor
        * - nothing to do because the allocator has no state
        */
       MyAlloc() throw() {
       }
       MyAlloc(const MyAlloc&) throw() {
       }
       template <class U>
         MyAlloc (const MyAlloc<U>&) throw() {
       }
       ~MyAlloc() throw() {
       }

       // return maximum number of elements that can be allocated
       size_type max_size () const throw() {
           return std::numeric_limits<std::size_t>::max() / sizeof(T);
       }

       // allocate but don't initialize num elements of type T
       pointer allocate (size_type num, const void* = 0) {
           // print message and allocate memory with global new
           std::cerr << "allocate " << num << " element(s)"
                     << " of size " << sizeof(T) << std::endl;
           pointer ret = (pointer)(::operator new(num*sizeof(T)));
           std::cerr << " allocated at: " << (void*)ret << std::endl;
           return ret;
       }

       // initialize elements of allocated storage p with value value
       void construct (pointer p, const T& value) {
           // initialize memory with placement new
           new((void*)p)T(value);
       }

       // destroy elements of initialized storage p
       void destroy (pointer p) {
           // destroy objects by calling their destructor
           p->~T();
       }

       // deallocate storage p of deleted elements
       void deallocate (pointer p, size_type num) {
           // print message and deallocate memory with global delete
           std::cerr << "deallocate " << num << " element(s)"
                     << " of size " << sizeof(T)
                     << " at: " << (void*)p << std::endl;
           ::operator delete((void*)p);
       }
   };

   // return that all specializations of this allocator are interchangeable
   template <class T1, class T2>
   bool operator== (const MyAlloc<T1>&,
                    const MyAlloc<T2>&) throw() {
       return true;
   }
   template <class T1, class T2>
   bool operator!= (const MyAlloc<T1>&,
                    const MyAlloc<T2>&) throw() {
       return false;
   }
}

及用法：

#include <vector>
#include "myalloc.hpp"

int main()
{
    // create a vector, using MyAlloc<> as allocator
    std::vector<int,MyLib::MyAlloc<int> > v;

    // insert elements
    // - causes reallocations
    v.push_back(42);
    v.push_back(56);
    v.push_back(11);
    v.push_back(22);
    v.push_back(33);
    v.push_back(44);
}

Answer 2

分配器只是提供分配内存、释放内存、构造对象和销毁对象的策略。

它们不提供重新分配内存的策略（增加先前分配的内存区域的大小）。所以在所有容器中，如果必须增加内存：

• 容器要么分配一个新的内存块，
• 或像vector 所做的那样，分配一个新的更大的内存区域，复制其中的旧元素，然后释放之前的内存区域。