C++中std::allocator的使用案例详解

Z时代
2024-01-10
分类：IT

标准库中包含一个名为allocator的类，允许我们将分配和初始化分离。使用allocator通常会提供更好的性能和更灵活的内存管理能力。

new有一些灵活性上的局限，其中一方面表现在它将内存分配和对象构造组合在了一起。类似的，delete将对象析构和内存释放组合在了一起。我们分配单个对象时，通常希望将内存分配和对象初始化组合在一起。因为在这种情况下，我们几乎肯定知道对象应有什么值。当分配一大块内存时，我们通常计划在这块内存上按需构造对象。在此情况下，我们希望将内存分配和对象构造分离。这意味着我们可以分配大块内存，但只在真正需要时才真正执行对象的创建操作(同时付出一定开销)。一般情况下，将内存分配和对象构造组合在一起可能会导致不必要的浪费。

标准库allocator类定义在头文件memory中，它帮助我们将内存分配和对象构造分离开来。它提供一种类型感知的内存分配方法，它分配的内存是原始的、未构造的。类似vector，allocator是一个模板。为了定义一个allocator对象，我们必须指明这个allocator可以分配的对象类型。当一个allocator对象分配内存时，它会根据给定的对象类型来确定恰当的内存大小和对齐位置。allocator支持的操作，如下：

allocatro分配的内存是未构造的(unconstructed)。我们按需要在此内存中构造对象。在新标准库中，construct成员函数接受一个指针和零个或多个额外参数，在给定位置构造一个元素。额外参数用来初始化构造的对象。类似make_shared的参数，这些额外参数必须是与构造的对象的类型相匹配的合法的初始化器。

在早期版本的标准库中，construct只接受两个参数：指向创建对象位置的指针和一个元素类型的值。因此，我们只能将一个元素拷贝到未构造空间中，而不能用元素类型的任何其它构造函数来构造一个元素。还未构造对象的情况下就使用原始内存是错误的。为了使用allocator返回的内存，我们必须用construct构造对象。使用未构造的内存，其行为是未定义的。

当我们用完对象后，必须对每个构造的元素调用destroy来销毁它们。函数destroy接受一个指针，对执行的对象执行析构函数。我们只能对真正构造了的元素进行destroy操作。一旦元素被销毁后，就可以重新使用这部分内存来保存其它string，也可以将其归还给系统。释放内存通过调用deallocate来完成。我们传递给deallocate的指针不能为空，它必须指向由allocate分配的内存。而且，传递给deallocate的大小参数必须与调用allocate分配内存时提供的大小参数具有一样的值。

标准库还为allocator类定义了两个伴随算法，可以在未初始化内存中创建对象。它们都定义在头文件memory中，如下：

在C++中，内存是通过new表达式分配，通过delete表达式释放的。标准库还定义了一个allocator类来分配动态内存块。分配动态内存的程序应负责释放它所分配的内存。内存的正确释放是非常容易出错的地方：要么内存永远不会被释放，要么在仍有指针引用它时就被释放了。新的标准库定义了智能指针类型------shared_ptr、unique_ptr和weak_ptr，可令动态内存管理更为安全。对于一块内存，当没有任何用户使用它时，智能指针会自动释放它。现代C++程序应尽可能使用智能指针。

std::allocator是标准库容器的默认内存分配器。你可以替换自己的分配器，这允许你控制标准容器分配内存的方式。

以上内容主要摘自：《C++Primer(Fifth Edition 中文版)》第12.2.2章节

下面是从其他文章中copy的测试代码，详细内容介绍可以参考对应的reference：


#include "allocator.hpp"
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>
namespace allocator_ {
// reference: C++ Primer(Fifth Edition) 12.2.2
int test_allocator_1()
{
	std::allocator<std::string> alloc; // 可以分配string的allocator对象
	int n{ 5 };
	auto const p = alloc.allocate(n); // 分配n个未初始化的string
	auto q = p; // q指向最后构造的元素之后的位置
	alloc.construct(q++); // *q为空字符串
	alloc.construct(q++, 10, 'c'); // *q为cccccccccc
	alloc.construct(q++, "hi"); // *q为hi
	std::cout << *p << std::endl; // 正确：使用string的输出运算符
	//std::cout << *q << std::endl; // 灾难：q指向未构造的内存
	std::cout << p[0] << std::endl;
	std::cout << p[1] << std::endl;
	std::cout << p[2] << std::endl;
	while (q != p) {
		alloc.destroy(--q); // 释放我们真正构造的string
	}
	alloc.deallocate(p, n);
	return 0;
}
int test_allocator_2()
{
	std::vector<int> vi{ 1, 2, 3, 4, 5 };
	// 分配比vi中元素所占用空间大一倍的动态内存
	std::allocator<int> alloc;
	auto p = alloc.allocate(vi.size() * 2);
	// 通过拷贝vi中的元素来构造从p开始的元素
	/* 类似拷贝算法，uninitialized_copy接受三个迭代器参数。前两个表示输入序列，第三个表示
	这些元素将要拷贝到的目的空间。传递给uninitialized_copy的目的位置迭代器必须指向未构造的
	内存。与copy不同，uninitialized_copy在给定目的位置构造元素。
	类似copy，uninitialized_copy返回(递增后的)目的位置迭代器。因此，一次uninitialized_copy调用
	会返回一个指针，指向最后一个构造的元素之后的位置。
	*/
	auto q = std::uninitialized_copy(vi.begin(), vi.end(), p);
	// 将剩余元素初始化为42
	std::uninitialized_fill_n(q, vi.size(), 42);
	return 0;
}
// reference: http://www.modernescpp.com/index.php/memory-management-with-std-allocator
int test_allocator_3()
{
	std::cout << std::endl;
	std::allocator<int> intAlloc;
	std::cout << "intAlloc.max_size(): " << intAlloc.max_size() << std::endl;
	int* intArray = intAlloc.allocate(100);
	std::cout << "intArray[4]: " << intArray[4] << std::endl;
	intArray[4] = 2011;
	std::cout << "intArray[4]: " << intArray[4] << std::endl;
	intAlloc.deallocate(intArray, 100);
	std::cout << std::endl;
	std::allocator<double> doubleAlloc;
	std::cout << "doubleAlloc.max_size(): " << doubleAlloc.max_size() << std::endl;
	std::cout << std::endl;
	std::allocator<std::string> stringAlloc;
	std::cout << "stringAlloc.max_size(): " << stringAlloc.max_size() << std::endl;
	std::string* myString = stringAlloc.allocate(3);
	stringAlloc.construct(myString, "Hello");
	stringAlloc.construct(myString + 1, "World");
	stringAlloc.construct(myString + 2, "!");
	std::cout << myString[0] << " " << myString[1] << " " << myString[2] << std::endl;
	stringAlloc.destroy(myString);
	stringAlloc.destroy(myString + 1);
	stringAlloc.destroy(myString + 2);
	stringAlloc.deallocate(myString, 3);
	std::cout << std::endl;
	return 0;
}
//
// reference: http://en.cppreference.com/w/cpp/memory/allocator
int test_allocator_4()
{
	std::allocator<int> a1;   // default allocator for ints
	int* a = a1.allocate(1);  // space for one int
	a1.construct(a, 7);       // construct the int
	std::cout << a[0] << '\n';
	a1.deallocate(a, 1);      // deallocate space for one int
	// default allocator for strings
	std::allocator<std::string> a2;
	// same, but obtained by rebinding from the type of a1
	decltype(a1)::rebind<std::string>::other a2_1;
	// same, but obtained by rebinding from the type of a1 via allocator_traits
	std::allocator_traits<decltype(a1)>::rebind_alloc<std::string> a2_2;
	std::string* s = a2.allocate(2); // space for 2 strings
	a2.construct(s, "foo");
	a2.construct(s + 1, "bar");
	std::cout << s[0] << ' ' << s[1] << '\n';
	a2.destroy(s);
	a2.destroy(s + 1);
	a2.deallocate(s, 2);
	return 0;
}
} // namespace allocator_