《STL源码剖析》—— 空间配置器（四）

一、第二级配置器 __default_alloc_template 剖析

        为了方便管理，SGI第二级配置器会主动将任何小额区块的内存需求量上调至 8 的倍数，并维护 16 个free-lists，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 bytes的小额区块。free-lists的节点结构如下：

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

        注意：上述 obj 所用的是 union，由于 union 之故，从其第一字段观之，obj可被视为一个指针，指向相同形式的另一个 obj。从其第二字段观之，obj可被视为一个指针，指向实际区块。

// 以下是第二级配置器// 注意，无"template型别参数"，且第二参数完全没派上用场// 第一参数用于多线程环境template <bool threads, int inst>class __default_alloc_template {private:  // Really we should use static const int x = N  // instead of enum { x = N }, but few compilers accept the former.# ifndef __SUNPRO_CC    enum {__ALIGN = 8}; // 小型区块的上调边界    enum {__MAX_BYTES = 128}; // 小型区块的上限    enum {__NFREELISTS = __MAX_BYTES/__ALIGN}; // free-lists 个数# endif  // ROUND_UP()将 bytes 上调至 8 的倍数  static size_t ROUND_UP(size_t bytes) {        return (((bytes) + __ALIGN-1) & ~(__ALIGN - 1));  }__PRIVATE:  union obj { // free-lists的节点构造        union obj * free_list_link;        char client_data[1];    /* The client sees this. */  };private:# ifdef __SUNPRO_CC    static obj * __VOLATILE free_list[];         // Specifying a size results in duplicate def for 4.1# else// 16个free-lists    static obj * __VOLATILE free_list[__NFREELISTS]; # endif// 以下函数根据区块大小，决定使用第 n 号free-list。n从0起算static  size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes) {return (((bytes) + __ALIGN-1)/__ALIGN - 1);}// 返回一个大小为 n 的对象，并可能加入大小为 n 的其他区块到 free list  static void *refill(size_t n);// 配置一大块空间，可容纳 nobjs 个大小为"size"的区块// 如果配置 nobjs 个区块有所不便，nobjs可能会降低static char *chunk_alloc(size_t size, int &nobjs);  // Chunk allocation state.  static char *start_free; // 内存池起始位置。只在 chunk_alloc() 中变化  static char *end_free;   // 内存池结束位置。只在 chunk_alloc() 中变化  static size_t heap_size;// 下面三个条件编译给多线程条件下使用锁提供必要支持# ifdef __STL_SGI_THREADS    static volatile unsigned long __node_allocator_lock;    static void __lock(volatile unsigned long *);     static inline void __unlock(volatile unsigned long *);# endif# ifdef __STL_PTHREADS    static pthread_mutex_t __node_allocator_lock;# endif# ifdef __STL_WIN32THREADS    static CRITICAL_SECTION __node_allocator_lock;    static bool __node_allocator_lock_initialized;  public:    __default_alloc_template() {// This assumes the first constructor is called before threads// are started.        if (!__node_allocator_lock_initialized) {            InitializeCriticalSection(&__node_allocator_lock);            __node_allocator_lock_initialized = true;        }    }  private:# endif    // 用于多线程环境下锁定操作    class lock {        public:            lock() { __NODE_ALLOCATOR_LOCK; }            ~lock() { __NODE_ALLOCATOR_UNLOCK; }    };    friend class lock;public:  static void * allocate(size_t n);static void deallocate(void *p, size_t n);static void * reallocate(void *p, size_t old_sz, size_t new_sz);} ;// 以下是 static data member 的定义与初值设定template <bool threads, int inst>char *__default_alloc_template<threads, inst>::start_free = 0;template <bool threads, int inst>char *__default_alloc_template<threads, inst>::end_free = 0;template <bool threads, int inst>size_t __default_alloc_template<threads, inst>::heap_size = 0;template <bool threads, int inst>__default_alloc_template<threads, inst>::obj * __VOLATILE__default_alloc_template<threads, inst> ::free_list[# ifdef __SUNPRO_CC    __NFREELISTS# else    __default_alloc_template<threads, inst>::__NFREELISTS# endif] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, };

二、空间配置函数 allocate()

        此函数首先判断区块大小，大于 128 bytes 就调用第一级配置器，小于 128 bytes 就检查对应的 free list。如果 free list 之内有可用的区块，就直接拿来用，如果没有可用区块，就将区块大小上调至 8 倍数边界，然后调用 refill()，准备为 free list 重新填充空间。

  /* n must be > 0 */  static void * allocate(size_t n)  {    obj * __VOLATILE * my_free_list;    obj * __RESTRICT result;// 大于 128 就调用第一级配置器    if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {        return(malloc_alloc::allocate(n));    }// 寻找 16 个free lists中适当的一个    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);    // Acquire the lock here with a constructor call.    // This ensures that it is released in exit or during stack    // unwinding.#   ifndef _NOTHREADS    /*REFERENCED*/    lock lock_instance;#   endif    result = *my_free_list;    if (result == 0) {// 没找到可用的 free list，准备重新填充 free list        void *r = refill(ROUND_UP(n));        return r;    }// 调整 free list    *my_free_list = result -> free_list_link;    return (result);  };

三、空间释放函数 deallocate()

        该函数首先判断区块大小，大于 128 bytes 就调用第一级配置器，小于 128 bytes 就找出对应的 free list，将区块回收。

  /* p 不可以是 0 */static void deallocate(void *p, size_t n)  {obj *q = (obj *)p;    obj * __VOLATILE * my_free_list;// 大于 128 就调用第一级配置器    if (n > (size_t) __MAX_BYTES) {        malloc_alloc::deallocate(p, n);        return;    }// 寻找对应的 free list    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);    // acquire lock#       ifndef _NOTHREADS        /*REFERENCED*/        lock lock_instance;#       endif /* _NOTHREADS */// 调整 free list，回收区块    q -> free_list_link = *my_free_list;    *my_free_list = q;    // lock is released here}

四、重新填充 free lists

        前面的 allocate()，当它发现 free list 中没有可用区块时，就调用 refille()，准备为 free list 重新填充空间。新的空间将取自内存池（经由 chunk_alloc()完成）。缺省取得 20 个新节点（新区块），但万一内存池空间不足，获得的节点数（区块数）可能小于 20。

// 返回一个大小为 n 的对象，并且有时候会为适当的 free list 增加节点// 假设 n 已经适当上调至 8 的倍数/* We hold the allocation lock. */template <bool threads, int inst>void* __default_alloc_template<threads, inst>::refill(size_t n){    int nobjs = 20;// 调用 chunk_alloc()，尝试取得 nobjs 个区块作为 free list 的新节点// 注意参数 nobjs 是 pass by reference    char * chunk = chunk_alloc(n, nobjs);    obj * __VOLATILE * my_free_list;    obj * result;    obj * current_obj, * next_obj;    int i;// 如果只获得一个区块，这个区块就分配给调用者用，free list无新节点    if (1 == nobjs) return(chunk);// 否则准备调整 free list，纳入新节点    my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);    // 以下在 chunk 空间内建立 free listresult = (obj *)chunk; // 这一块准备返回给客户端// 以下导引 free list 指向新配置的空间(取自内存池)*my_free_list = next_obj = (obj *)(chunk + n);// 以下将 free list的各节点串接起来for (i = 1; ; i++) { // 从 1 开始，因为第 0 个将返回给客端        current_obj = next_obj;        next_obj = (obj *)((char *)next_obj + n);        if (nobjs - 1 == i) {            current_obj -> free_list_link = 0;            break;        } else {            current_obj -> free_list_link = next_obj;        }}    return(result);}

五、内存池

        从内存池中取空间给 free list使用，是chunk_alloc()的工作：

// 假设 size 已经适当上调至 8 的倍数// 注意参数 nobjs 是 pass by referencetemplate <bool threads, int inst>char*__default_alloc_template<threads, inst>::chunk_alloc(size_t size, int& nobjs){    char * result;    size_t total_bytes = size * nobjs;    size_t bytes_left = end_free - start_free; // 内存池剩余空间    if (bytes_left >= total_bytes) {// 内存池剩余空间完全满足需求量        result = start_free;        start_free += total_bytes;        return(result);    } else if (bytes_left >= size) {    // 内存池剩余空间不能完全满足需求量，但足够供应一个(含)以上的区块        nobjs = bytes_left/size;        total_bytes = size * nobjs;        result = start_free;        start_free += total_bytes;        return(result);    } else {    // 内存池剩余空间连一个区块的大小都无法提供        size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >> 4);        // 以下试着让内存池中的残余零头还有利用价值(零头也应该是 8 的倍数)        if (bytes_left > 0) {// 内存池内还有一些零头，先配给适当的free list// 首先寻找适当的 free list            obj * __VOLATILE * my_free_list =                        free_list + FREELIST_INDEX(bytes_left);// 调整 free list，将内存池中的残余空间编入            ((obj *)start_free) -> free_list_link = *my_free_list;            *my_free_list = (obj *)start_free;        }// 配置 heap 空间，用来补充内存池        start_free = (char *)malloc(bytes_to_get);        if (0 == start_free) {// heap空间不足，malloc()失败            int i;            obj * __VOLATILE * my_free_list, *p;            // Try to make do with what we have.  That can't            // hurt.  We do not try smaller requests, since that tends            // to result in disaster on multi-process machines.            // 试着检视我们手上拥有的东西。这不会造成伤害。我们不打算尝试配置            // 较小的区块，因为那在多进程(multi-process)机器上容易导致灾难            // 以下搜寻适当的 free list            // 所谓适当是指"尚有未用区块，且区块够大"之 free list            for (i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN) {                my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);                p = *my_free_list;                if (0 != p) { // free list内尚有未用区块                // 调整free list以释出未用区块                    *my_free_list = p -> free_list_link;                    start_free = (char *)p;                    end_free = start_free + i;// 递归调用自己，为了修正 nobjs                    return(chunk_alloc(size, nobjs));// 注意，任何残余零头终将被编入适当的free-list中备用                }            }end_free = 0;// 如果出现意外，到处都没内存可用// 调用第一级配置器，看看 out-of-memory 机制能否尽点力start_free = (char *)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);            // 这会导致抛出异常(exception)，或内存不足的情况获得改善        }        heap_size += bytes_to_get;        end_free = start_free + bytes_to_get;// 递归调用自己，为了修正 nobjs        return(chunk_alloc(size, nobjs));    }

        上述的chunk_alloc()函数以 end_free - start_free 来判断内存池的水量。如果水量充足，就直接调用 20 个区块返回给 free list。如果水量不足以提供 20 个区块，但还最后供应一个以上的区块，就拔出这不足 20 个区块的空间出去。这时候其 pass by reference的nobjs参数将被修改为实际能够供应的区块数。如果内存池连一个区块空间都无法供应，对客端显然无法交待，此时便需利用 malloc() 从head中配置内存，为内存池注入源头活水以应付需求。新水量的大小为需求量的两倍，再加上一个随着配置次数增加而愈来愈大的附加量。