Allocator是C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中最神秘的部分之一。它們很少被顯式使用，標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有明確出它們應(yīng)該在什么時(shí)候被使用。今天的allocator與最初的STL建議非常不同，在此過(guò)程中還存在著另外兩個(gè)設(shè)計(jì)－－這兩個(gè)都依賴于語(yǔ)言的一些特性，而直到最近才在很少的幾個(gè)編譯器上可用。對(duì)allocator的功能，標(biāo)準(zhǔn)似乎在一些方面追加了承諾，而在另外一些方面撤銷了承諾。
這篇專欄文章將討論你能用allocator來(lái)做什么以及如何定義一個(gè)自己的版本。我只會(huì)討論C++標(biāo)準(zhǔn)所定義的allocator：引入準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代的設(shè)計(jì)，或試圖繞過(guò)有缺陷的編譯器，只會(huì)增加混亂。
什么時(shí)候不使用Allocator
C++標(biāo)準(zhǔn)中的Allocator分成兩塊：一個(gè)通用需求集（描述于§ 20.1.5(表 32)），和叫std::allocator的class（描述于§20.4.1）。如果一個(gè)class滿足表32的需求，我們就稱它為一個(gè)allocator。std::allocator類滿足那些需求，因此它是一個(gè)allocator。它是標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)中的唯一一個(gè)預(yù)先定義allocator類。
每個(gè) C++程序員都已經(jīng)知道動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配：寫(xiě)下new X來(lái)分配內(nèi)存和創(chuàng)建一個(gè)X類型的新對(duì)象，寫(xiě)下delete p來(lái)銷毀p所指的對(duì)象并歸還其內(nèi)存。你有理由認(rèn)為allocator會(huì)使用new和delete－－但它們沒(méi)有。（C++標(biāo)準(zhǔn)將::operator new()描述為“allocation function”，但很奇怪，allocator并不是這樣的。）
有關(guān)allocator的最重要的事實(shí)是它們只是為了一個(gè)目的：封裝STL容器在內(nèi)存管理上的低層細(xì)節(jié)。你不應(yīng)該在自己的代碼中直接調(diào)用allocator的成員函數(shù)，除非正在寫(xiě)一個(gè)自己的STL容器。你不應(yīng)該試圖使用allocator來(lái)實(shí)現(xiàn)operator new[]；這不是allocator該做的。 如果你不確定是否需要使用allocator，那就不要用。
allocator是一個(gè)類,有著叫allocate()和deallocate()成員函數(shù)（相當(dāng)于malloc和free）。它還有用于維護(hù)所分配的內(nèi)存的輔助函數(shù)和指示如何使用這些內(nèi)存的typedef（指針或引用類型的名字）。如果一個(gè)STL容器使用用戶提供的allocator來(lái)分配它所需的所有內(nèi)存(預(yù)定義的STL容器全都能這么做；他們都有一個(gè)模板參數(shù)，其默認(rèn)值是std::allocator)，你就能通過(guò)提供自己的allocator來(lái)控制它的內(nèi)存管理。
這種柔性是有限制的：仍然由容器自己決定它將要申請(qǐng)多少內(nèi)存以及如何使用它們。在容器申請(qǐng)更多的內(nèi)存時(shí)，你能控制它調(diào)用那個(gè)低層函數(shù)，但是你不能通過(guò)使用allocator來(lái)讓一個(gè)vector行動(dòng)起來(lái)像一個(gè)deque一樣。雖然如此，有時(shí)候，這個(gè)受限的柔性也很有用。比如，假設(shè)你有一個(gè)特殊的fast_allocator，能快速分配和釋放內(nèi)存（也許通過(guò)放棄線程安全性，或使用一個(gè)小的局部堆），你能通過(guò)寫(xiě)下std::list<T, fast_allocator<T> >而不是簡(jiǎn)單的std::list<T>來(lái)讓標(biāo)準(zhǔn)的list使用它。
如果這看起來(lái)對(duì)你很陌生，那就對(duì)了。沒(méi)有理由在常規(guī)代碼中使用allocator的。
定義一個(gè)Allocator
關(guān)于allocator的這一點(diǎn)你已經(jīng)看到了：它們是模板。Allocator，和容器一樣，有value_type，而且allocator的value_type必須要匹配于使用它的容器的value_type。這有時(shí)會(huì)比較丑陋：map的value_type相當(dāng)復(fù)雜，所以顯式調(diào)用allocator的map看起來(lái)象這樣的，std::map<K，V, fast_allocator<std::pair<const K, V> > >。(像往常一樣，typedef會(huì)對(duì)此有幫助。)
以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子開(kāi)始。根據(jù)C++標(biāo)準(zhǔn)，std::allocator構(gòu)建在::operator new()上。如果你正在使用一個(gè)自動(dòng)化內(nèi)存使用跟蹤工具，讓std::allocator更簡(jiǎn)單些會(huì)更方便。我們可以用malloc()代替::operator new()，而且我們也不考慮（在好的std::allocator實(shí)作中可以找到的）復(fù)雜的性能優(yōu)化措施。我們將這個(gè)簡(jiǎn)單的allocator叫作malloc_allocator 。
既然malloc_allocator的內(nèi)存管理很簡(jiǎn)單，我們就能將重點(diǎn)集中在所有STL的allocator所共有的樣板上。首先，一些類型：allocator是一個(gè)類模板，它的實(shí)例專為某個(gè)類型T分配內(nèi)存。我們提供了一序列的typedef，以描述該如何使用此類型的對(duì)象：value_type指T本身，其它的則是有各種修飾字的指針和引用。
template <class T> class malloc_allocator
{
public:
typedef T value_type;
typedef value_type* pointer;
typedef const value_type* const_pointer;
typedef value_type& reference;
typedef const value_type& const_reference;
typedef std::size_t size_type;
typedef std::ptrdiff_t difference_type;
...
};
這些類型與STL容器中的很相似，這不是巧合：容器類常常直接從它的allocator提取這些類型。
為 什么有這么多的typedef？你可能認(rèn)為pointer是多余的：它就是value_type *。絕大部份時(shí)候這是對(duì)的，但你可能有時(shí)候想定義非傳統(tǒng)的allocator，它的pointer是一個(gè)pointer-like的class，或非標(biāo)的 廠商特定類型value_type __far *；allocator是為非標(biāo)擴(kuò)展提供的標(biāo)準(zhǔn)hook。不尋常的pointer類型也是存在address()成員函數(shù)的理由，它在 malloc_allocator中只是operator &()的另外一種寫(xiě)法：
現(xiàn)在我們能開(kāi)始真正的工 作：allocate()和deallocate()。它們很簡(jiǎn)單，但并不十分象malloc()和free()。我們傳給allocate()兩個(gè)參 數(shù)：我們正在為其分派空間的對(duì)象的數(shù)目(max_size返回可能成功的最大請(qǐng)求值)，以及可選的一個(gè)地址值（可以被用作一個(gè)位置提示）。象 malloc_allocator這樣的簡(jiǎn)單的allocator沒(méi)有利用那個(gè)提示，但為高性能而設(shè)計(jì)的allocator可能會(huì)利用它。返回值是一個(gè)指 向內(nèi)存塊的指針，它足以容納n個(gè)value_type類型的對(duì)象并有正確的對(duì)齊。
我 們也傳給deallocate()兩個(gè)參數(shù)：當(dāng)然一個(gè)是指針，但同樣還有一個(gè)元素計(jì)數(shù)值。容器必須自己掌握大小信息；傳給allocate和 deallocate的大小參數(shù)必須匹配。同樣，這個(gè)額外的參數(shù)是為效率而存在的，而同樣，malloc_allocator不使用它。
template <class T> class malloc_allocator
{
public:
pointer allocate(size_type n, const_pointer = 0) {
void* p = std::malloc(n * sizeof(T));
if (!p)
throw std::bad_alloc();
return static_cast<pointer>(p);
}
void deallocate(pointer p, size_type) {
std::free(p);
}
size_type max_size() const {
return static_cast<size_type>(-1) / sizeof(value_type);
}
...
};
allocate()和 deallocate()成員函數(shù)處理的是未初始化的內(nèi)存，它們不構(gòu)造和銷毀對(duì)象。語(yǔ)句a.allocate(1)更象 malloc(sizeof(int))而不是new int。在使用從allocate()獲得的內(nèi)存前，你必須在這塊內(nèi)存上創(chuàng)建對(duì)象；在通過(guò)deallocate()歸還內(nèi)存前，你需要銷毀那些對(duì)象。
C++ 語(yǔ)言提供一個(gè)機(jī)制以在特定的內(nèi)存位置創(chuàng)建對(duì)象：placement new。如果你寫(xiě)下new(p) T(a, b)，那么你正在調(diào)用T的構(gòu)造函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象，一如你寫(xiě)的new T(a, b)或 T t(a, b)。區(qū)別是當(dāng)你寫(xiě)new(p) T(a, b)，你指定了對(duì)象被創(chuàng)建的位置：p所指向的地址。(自然，p必須指向一塊足夠大的內(nèi)存，而且必須是未被使用的內(nèi)存；你不能在相同的地址構(gòu)建兩個(gè)不同的對(duì) 象。)。你也可以調(diào)用對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)，而不釋放內(nèi)存，只要寫(xiě)p->~T()。
這 些特性很少被使用，因?yàn)橥ǔ?nèi)存的分配和初始化是一起進(jìn)行的：使用未初始化的內(nèi)存是不方便的和危險(xiǎn)的。你需要如此低層的技巧的很少幾處之一就是你在寫(xiě)一個(gè) 容器類，于是allocator將內(nèi)存的分配與初始化解耦。成員函數(shù)construct()調(diào)用placement new，而且成員函數(shù)destory()調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
template <class T> class malloc_allocator
{
public:
void construct(pointer p, const value_type& x) {
new(p) value_type(x);
}
void destroy(pointer p) { p->~value_type(); }
...
};
(為什么allocator有那些成員 函數(shù)，什么時(shí)候容器可以直接使用placement new？一個(gè)理由是要隱藏笨拙的語(yǔ)法，而另一個(gè)是如果寫(xiě)一個(gè)更復(fù)雜的allocator時(shí)你可能想在構(gòu)造和銷毀對(duì)象時(shí)construct()和 destroy()還有其它一些副作用。比如，allocator可能維護(hù)一個(gè)所有當(dāng)前活動(dòng)對(duì)象的日志。)
這 些成員函數(shù)沒(méi)有一個(gè)是static的，因此，容器在使用allocator前做的第一件事就是創(chuàng)建一個(gè)allocator對(duì)象－－也就是說(shuō)我們應(yīng)該定義一 些構(gòu)造函數(shù)。但是，我們不需要賦值運(yùn)算：一旦容器創(chuàng)建了它的allocator，這個(gè)allocator就從沒(méi)想過(guò)會(huì)被改變。表32中的對(duì) allocator的需求沒(méi)有包括賦值。只是基于安全，為了確保沒(méi)人偶然使用了賦值運(yùn)算，我們將禁止掉這個(gè)可能自動(dòng)生成的函數(shù)。
template <class T> class malloc_allocator
{
public:
malloc_allocator() {}
malloc_allocator(const malloc_allocator&) {}
~malloc_allocator() {}
private:
void operator=(const malloc_allocator&);
...
};
這些構(gòu)造函數(shù)實(shí)際上沒(méi)有做任何事，因?yàn)檫@個(gè)allocator不需要初始化任何成員變量。基于同樣的理由，任意兩個(gè)malloc_allocator都是 可互換的；如果a1和a2的類型都是malloc_allocator<int>，我們可以自由地通過(guò)a1來(lái)allocate()內(nèi)存然后通 過(guò)a2來(lái)deallocate()它。我們因此定義一個(gè)比較操作以表明所有的malloc_allocator對(duì)象是等價(jià)的：
template <class T>
inline bool operator==(const malloc_allocator<T>&,
const malloc_allocator<T>&) {
return true;
}
template <class T>
inline bool operator!=(const malloc_allocator<T>&,
const malloc_allocator<T>&) {
return false;
}
你會(huì)期望一個(gè)allocator，它的不 同對(duì)象是不可替換的嗎？當(dāng)然－－但很難提供一個(gè)簡(jiǎn)單而有用的例子。一種明顯的可能性是內(nèi)存池。它對(duì)大型的C程序很常見(jiàn)，從幾個(gè)不同的位置（“池”）分配內(nèi) 存，而不是什么東西都直接使用malloc()。這樣做有幾個(gè)好處，其一是it only takes a single function call to reclaim all of the memory associated with a particular phase of the program。 使用內(nèi)存池的程序可能定義諸如mempool_Alloc和mempool_Free這樣的工具函數(shù)，mempol_Alloc(n, p)從池p中分配n個(gè)字節(jié)。很容易寫(xiě)出一個(gè)mmepool_alocator以匹配這樣的架構(gòu)：每個(gè)mempool_allocator對(duì)象有一個(gè)成員變 量以指明它綁定在哪個(gè)池上，而mempool_allocator::allocate()將調(diào)用mempool_Alloc()從相應(yīng)的池中獲取內(nèi)存。 [注1]
最 后，我們到了allocator的定義體中一個(gè)微妙的部份：在不同的類型之間映射。問(wèn)題是，一個(gè)allocator類，比如 malloc_allocator<int>，全部是圍繞著單個(gè)value_type構(gòu)建 的：malloc_allocator<int>::pointer是int*，malloc_allocator<int> ().allocate(1)返回足夠容納一個(gè)int對(duì)象的內(nèi)存，等等。然而，通常，容器類使用malloc_allocator可能必須處理超過(guò)一個(gè)類 型。比如，一個(gè)list類，不分配int對(duì)象；實(shí)際上，它分配list node對(duì)象。(我們將在下一段落研究細(xì)節(jié)。)于是，當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)std::list<int, malloc_allocator<int> >時(shí)，list必須將malloc_allocator<int>轉(zhuǎn)變成為處理list_node類型的 malloc_allocator。
這 個(gè)機(jī)制稱為重綁定，它有二個(gè)部份。首先，對(duì)于給定的一個(gè)value_type是X1的allocator類型A1，你必須能夠?qū)懗鲆粋€(gè)allocator 類型A2，它與A1完全相同，除了value_type是X2。其次，對(duì)于給定的A1類型的對(duì)象a1，你必須能夠創(chuàng)建一個(gè)等價(jià)的A2類型對(duì)象a2。這兩部 分都使用了成員模板，這也就是allocator不能被老的編譯器支持，或支持得很差的原因。