C++内存管理机制（侯捷）
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参考链接
Youtube: 侯捷-C++内存管理机制
Github课程视频、PPT和源代码: https://github.com/ZachL1/Bilibili-plus
介绍
下面是第四讲和第五讲的笔记。
第四讲：loki库的allocator
第五讲：other issues，主要介绍GNU C++提供的其他分配器的使用
截至2024年1月12日，花费3天时间完成《C++内存管理——从平地到万丈高楼》的学习。
文章目录
- C++内存管理机制（侯捷）
- 介绍
- 45 上中下三个classes分析
- 46 Class Chunk分析
- 47 class FixedAllocator分析（上）
- 48 class FixedAllocator分析（下）
- 49 Loki::allocator总结
- 50 GNU C++对allocators的描述
- 51 VS2013标准分配器&G4.9标准分配器与new_allocator以及G4.9malloc
- 52 G4.9array_allocator
- 53 G4.9 debug_allocator
- 54 bitmap_allocator上
- 55 bitmap_allocator（下）
- 后记
45 上中下三个classes分析
loki的allocator
Loki 是 C++ 中一个开源的库，其中包含一组通用的 C++ 组件。在 Loki 库中，有一个称为 Loki::Allocator 的组件，它是一个用于内存分配的工具。
讲这个分配器是为了和GNU C++中的alloc分配器作比较，alloc分配器最后的内存并没有还给操作系统。
Loki allocator的三个类，从低阶到高阶分别为：Chunk, FixedAllocator, SmallObjAllocator。
Chunk
pData_: unsigned char* // 指针，指向分配的一个chunk
firstAvailableBlock_：unsigned char // 第一个可用区块
blocksAvailable_: unsigned char // 目前还可以供应几个区块
FixedAllocator
chunks_: vector<Chunk> // vector里面放了很多chunk
// 两个指针，指向某两个Chunk
allocChunk_: Chunk*
deallocChunk_: Chunk*
SmallObjAllocator
pool_: vector<FixedAllocator> // 里面放了很多FixedAllocator
// 两个指针，指向某两个FixedAllocator
pLastAlloc: FixedAllocator*
pLastDealloc: FixedAllocator*
chunkSize: size_t
maxObjectSize: size_t
46 Class Chunk分析
Loki allocator里面的Chunk
Init函数：new调用malloc创建对象，分配一大块chunk
调用Reset函数，下图中可用的block个数为64，第一个可以的block的编号为0，然后一个for循环，把每个block的第一个字节当作索引index使用（类似于嵌入式指针）
还有Release函数，使用delete[]，释放空间，还给操作系统。
Chunk的Allocate函数
分配一个可用区块（最高优先权），然后firstAvailableBlock_指向下一个可用区块，比如这里可用区块的索引从左边的4变成了右边的3，剩余区块个数也相应调整。
Chunk的Deallocate函数
释放的指针p已经确定在这个Chunk中，但是p是这个Chunk中的第几个block呢？用p指针减去头指针然后除以每个block的大小，得到该释放的block的索引，这个释放回收的块block具有最高优先权，成为firstAvailableBlock_，然后可利用的block个数+1.
47 class FixedAllocator分析（上）
FixedAllocator
chunks_: vector<Chunk> // vector里面放了很多chunk
// 两个指针，指向某两个Chunk
allocChunk_: Chunk*
deallocChunk_: Chunk*
allocChunk_指向最近一次满足分配动作的Chunk，deallocChunk _指向最近一次回收的Chunk。因为有很多chunk，要指定最近用过的chunk，这符合数据的局部性原理。
Allocate的逻辑如下图所示：如果有最近的allocChunk_，那么直接取区块，否则就要for循环从头开始遍历每个chunk，直到找到有可用空间的chunk。return allocChunk->Allocate(blockSize_);是向这个chunk取区块。
48 class FixedAllocator分析（下）
第二级FixedAllocator类的Deallocate函数，调用VicinityFind函数查找还回来的指针p落在哪个chunk，找到之后交给第一级Chunk类的Deallocate来处理。
VicinityFind（临近搜寻）函数如下：功能是进行查找。
chunkLength是chunk的大小，后面查找的时候要用
lo是上次还回来的chunk，hi是下一个chunk
loBound和hiBound是vector的头跟尾
整体思路是：并分两路，一路往上查找，一路往下查找。
在lo里面找，找不到的话就往上面的chunk去查找，一直往上，一个接一个的chunk去找。
然后在hi里面找，找不到就往下面的chunk去查找，一直往下，一个接一个的chunk去找。
下面是FixedAllocator类的DoDeallocate函数
调用Deallocate函数进行回收，然后确认是否是全回收的情况处理。
全回收的时候，需要确认有2个chunk，才回收一个，就是上文讲到的deferring延缓回收。
49 Loki::allocator总结
很简单的方式判断chunk全回收，指的是记录可用区块个数，当它变成0的时候表示全分配出去，当它恢复到原来的状态，就表示可全回收。
50 GNU C++对allocators的描述
第五讲 other issues
GNU C++ 对于allocator的描述
下面介绍两个分配器: new_allocator 和malloc_allocator，它们都没有特别的动作，无非底部调用operator new和malloc。它们没有用内存池。
另一种做法是使用智能型的allocator，使用内存池，分一大块然后切分成小块。
这类allocator有bitmap_allocator, pool_allocator, _mt_alloc（multithread多线程的分配器）
GNU C++ 提供三种测试，用于测速：插入数据测试，多线程状态下的插入和删除测试，多线程的生产者和消费者模型测试。
另外两个智能型allocator是 debug_allocator 和 array_allocator
51 VS2013标准分配器&G4.9标准分配器与new_allocator以及G4.9malloc
VS2013版本的标准分配器allocator，里面的allocate函数就是调用operator new，底层调用malloc，这是一种没有包装的分配器。
GNU C++4.9版本的标准分配器 allocator，继承自new_allocator,里面的动作也是operator new 和operator delete，也是没有包装的分配器。
GNU C++4.9版本的malloc_allocator，里面就是调用malloc和free，没有包装。
52 G4.9array_allocator
array_allocator
指针_M_array指向一个C++数组，静态数组不需要释放，归还
看看array_allocator怎么使用
int my[65536];
array_allocator<int, array<int, 65536>> myalloc(&my); // 传入数组的地址
第二种用法，是用动态的new一块数组，其他用法与上面一致。
53 G4.9 debug_allocator
debug_allocator是一个包装器，把另一个分配器包装进来，这里是_Alloc分配器，定义为_M_allocator,实际分配的时候就是调用这个分配器的allocate，分配n + extra个大小的空间。
GNU C++2.9容器使用的不是std::allocator，而是std::alloc，这是一个好的分配器。
在GNU C++4.9版本的__pool_alloc就是上面2.9版本的alloc。它的缺点是什么呢？只拿不还，不把分配的空间还给操作系统。
GNU C++4.9版本 __pool_alloc测试用例
54 bitmap_allocator上
这里重要的是_M_allocate_single_object和_M_deallocate_single_object，这是什么意思呢？所有的allocator都是供给容器使用的，容器每次请求的都是一个元素的内存分配，所以这里就是单独处理一个object的请求。当不是一个object的时候，就会退化到operator new和operator delete，但是这种情况一般遇不到。
当客户是容器的使用，容器要的一个元素的内存空间就是block，如果是std::list的时候，这个block还包括node里面的指针。
下图中64blocks指的是一次性挖64个blocks开始供应，这个是两倍成长，下次挖128个，再是256个，…
挖的这些blocks，加上前面的bitmap，还有前面的数值，一起称为super block。
bitmap中是64bits（对应于blocks的数量），每个bit表示单个block的状态，bitmap是unsigned int，一个bitmap是32位，只能记录32个blocks的情况。这里是64个blocks，需要2个bitmap来记录。
前面还有一个整数use count，记录有几个block被分配
最前面还有一个整数，记录super block的大小
有一个mini vector（模拟标准库中的vector写出来的）来操纵super block，里面的start指针和finish指针分别指向super block的头和尾
现在客户需要分配内存：下面深灰色这个block被分配出去，use count = 1，然后bitmap[0]最后一位变成0，表示已经分配出去
然后请求分配第二个block，下面两个灰色的block表示被分配出去，use count = 2，bitmap[0]后两位变成0，表示这两个block被分配出去。
后面一直分配block出去，下图表示已经分配出去63个block，对应的use count = 63，bitmap[1]和bitmap[0]变成80000000H和00000000H，只有最后一个block对应的bitmap中的bit才为1,表示未被分配出去。
下面客户归还其中一个block，对应的bitmap要变成1，表示未分配（回收回来），然后use count由63变成62
当1个super block(有64个blocks)用完后，开始启用第二号super block，这时候super block中的block块数由64扩大两倍变成128个，由4个bitmap整数表示。
而且mini vector中由一个单元，变成两个单元，每个单元指向一个super block。
第二个super block用完（前面已经用完第一个super block，其含有64个blocks，第二个super block包含128个blocks，也已经用完），启用第三个super bloc，其包含的blocks为128 x 2 = 256个。
mini vector中也有第三个单元来控制这个super block。
55 bitmap_allocator（下）
上面谈的是bitmap_allocator的分配，下面谈它的回收（容器归还元素空间）机制
第一个super block全回收，用另一个mini vector（称为free list）中的entry指针指向这个super block，表示已经回收。
如果下次新分配一个super block，它其中blocks的数量要减半，如下图所示，如果前三个superblocks大小分别为64个，128个，256个，由于第一个superblock被回收，那么下次分配的superblock大小由已经分配的最大值256变成一半，为128个blocks。
原来的mini vector里面的指向回收的这个superblock头和尾的entry被删除。
第二个super block也全回收，则free list里的entry加一个，指向这个super block。
原来的mini vector里面指向这个superblock头尾的entry被删除。
第三个super block被全回收，被free list的指针指向。
后记
截至2024年1月12日22点09分，完成《C++内存管理机制》的第四讲和第五讲的笔记。主要涉及Loki库中allocator的设计，以及对GNU C++4.9其他allocator的介绍，主要包含bitmap_allocator。
