一步一步写STL:空间配置器(1)

侯捷说：追踪一流程序，并从中吸取养分，模仿着他写的程序，比那些自以为靠自己努力写出来的下三流程序价值高得多，至少我这么认为——世界上99.999%的程序，在STL面前都是下三流水平！


侯捷老师这句话对STL的评价太高了，以前只是熟练使用STL，知道一点原理，受他的影响，最终还是决定研究STL的源码,收益颇丰，还是把这个过程记录下来，并想着借助标准库的原理，自己写一个完整的仿STL，我觉得这是一个很大的工程，因为涉及到高级数据结构，强大的算法，泛型编程思维，STL的掌握，强大的C++编码水平，层次复杂的继承，型别萃取技术，相信这个过程会收益颇丰！毕竟我才大二，时间一大把，我想在我本科期间，做完这一个工程，也无憾了！



下图就是STL的层次分布图，当然还缺少一些组件，比如数值处理，pair对组，string,智能指针以及valarray数组等等，其中实现的难点主要集中在几个地方，分别是map红黑树的实现，heap算法体系，函数配接器，流迭代器。尤其是函数配接器，他的内部实现简直是穷尽一切顶尖技巧，令人叹为观止，我先从最左边的内存分配器开始，因为他是所有的核心！







首先STL的内存分配器(空间配置器)在标准库中充当了异常重要的角色，所有的内存分配，管理，释放都是由他控制，SGI的设计理念就是把内存管理这一块红灯区抽离出来，作为模版参数传递进去每个容器，

比如在vector:

template<class T,class Alloc<T> = allocator<T> >

class vector.........

他使用的是内置的默认内存分配器，在上图中我们看到有两个分配器，这是SGI STL中的高级之处，实作了多级内存分配，利用内存池实现效率上的优化，同时也减少了内存碎片的可能性。

在这之前需要知道两个全局函数 ::operator new 和 ::operator delete ，注意不要把他们和一般的new delete混为一谈，我们的运算符new在分配内存的时候同时调用对象的构造函数初始化内存，而::operator new只是分配内存，并不调用构造函数，这是实现一块无初始化内存池的关键点，同理delete。

另外还需要了解placement new运算符，他是定位运算符，并不分配内存，只是定位到某一已分配区域！

这里我们先实现一个能跟标准容器接口的分配器类，他并不高明，但是体现了标准分配器的必要特性，其实从某个角度说属于SGI版本的一级分配器：

[cpp]
view plaincopyprint?

template<class _Ty>
struct Allocator_base
{ //配置器基类
typedef _Ty value_type;
};

template<class _Ty>
struct Allocator_base<const _Ty>
{ //配置器特化于const的基类
typedef _Ty value_type;
};

template<class _Ty>
class Allocator
:public Allocator_base<_Ty>
{
public:
//配置器内部型别
typedef typename std::size_t size_type;
typedef typename std::ptrdiff_t difference_type;
typedef _Ty* pointer;
typedef const _Ty* const_pointer;
typedef _Ty& reference;
typedef const _Ty& const_reference;
typedef Allocator_base<_Ty> _Mybase;
typedef typename _Mybase::value_type value_type;

//配置器型别转换
template<class _other>
struct rebind
{
typedef Allocator<_other> other;
};

//地址函数定义
pointer address(reference value)const{
return &value;
}
const_pointer address(const_reference value)const{
return (const_pointer)&value:
}

//默认构造函数 什么都不干
Allocator() throw() {}
//默认复制构造
Allocator(const Allocator &)throw() {}
//不同配置器的复制构造
template<class _otherAll>
Allocator(const Allocator<_otherAll> &)throw() {}

//析构函数
~Allocator()throw() {}

//返回能分配的最大内存
size_type max_size()const throw()
{ //借助数值函数
numeric_limit<size_type>::max() /sizeof(_Ty);
}
//分配未构造的内存待用
pointer allocate(size_type num,
typename Allocator<void>::const_pointer hint= 0)
{
return (pointer)(::operator new(num * sizeof(_Ty)) );
}
//在内存中构造对象
void construct(pointer p,const_reference value)
{
new(p) _Ty(value);
}
//析构内存中的对象
void destroy(pointer p)
{
p->~_Ty();
}

void deallocate( pointer p, size_type size )
{
::operator delete(p);
}
//为了跟标准配置器接轨，这里只能返回true，下一个只能返回false
bool operator==(Allocator const& a) const
{ return true; }

bool operator!=(Allocator const& a) const
{ return !operator==(a); }
};


//allocator模版特化于类型void的类
template<> class Allocator<void>
{
public:
typedef void _Ty;
typedef _Ty* pointer;
typedef const _Ty* const_pointer;
typedef _Ty value_type;

template<class _other>
struct rebind
{
typedef Allocator<_other> other;
};

Allocator()throw()
{ //还是一样，什么都不干
}

Allocator(const Allocator<_Ty>& )throw()
{ //复制构造，什么都不干
}

template<class _Other>
Allocator(const Allocator<_Other>&) throw()
{
}
template<class _Other>
Allocator<_Ty>& operator=(const Allocator<_Other>&)
{
return (*this);
}

};

template<class _Ty>
	struct Allocator_base
	{	//配置器基类
	typedef _Ty value_type;
	};

template<class _Ty>
	struct Allocator_base<const _Ty>
	{	//配置器特化于const的基类
	typedef _Ty value_type;
	};

template<class _Ty>
class Allocator
		:public Allocator_base<_Ty>
{
public:
	//配置器内部型别
	typedef typename std::size_t size_type;
	typedef typename std::ptrdiff_t difference_type;
	typedef _Ty* pointer;
	typedef const _Ty* const_pointer;
	typedef _Ty& reference;
	typedef const _Ty& const_reference;
	typedef Allocator_base<_Ty> _Mybase;
	typedef typename _Mybase::value_type value_type;

	//配置器型别转换
	template<class _other>
	struct rebind
	{
		typedef Allocator<_other> other;
	};

	//地址函数定义
	pointer address(reference value)const{
		return &value;
	}
	const_pointer address(const_reference value)const{
		return (const_pointer)&value:
	}

	//默认构造函数 什么都不干
	Allocator() throw() {}
	//默认复制构造 
	Allocator(const Allocator &)throw() {}
	//不同配置器的复制构造
	template<class _otherAll>
	Allocator(const Allocator<_otherAll> &)throw() {}

	//析构函数
	~Allocator()throw() {}
	
	//返回能分配的最大内存
	size_type max_size()const throw()
	{   //借助数值函数
		numeric_limit<size_type>::max() /sizeof(_Ty);
	}
	//分配未构造的内存待用
	pointer allocate(size_type num,
		typename Allocator<void>::const_pointer hint= 0)
	{
		return (pointer)(::operator new(num * sizeof(_Ty)) );
	}
	//在内存中构造对象
	void construct(pointer p,const_reference value)
	{
		new(p) _Ty(value);
  	}
	//析构内存中的对象
	void destroy(pointer p)
	{
		p->~_Ty();
	}

	void deallocate( pointer p, size_type size )
	{
		::operator delete(p);
	}
	//为了跟标准配置器接轨，这里只能返回true，下一个只能返回false
	bool operator==(Allocator const& a) const 
	{ return true; }

	bool operator!=(Allocator const& a) const 
	{ return !operator==(a); }
};

//allocator模版特化于类型void的类
template<> class Allocator<void>
{
public:
	typedef void _Ty;
	typedef _Ty* pointer;
	typedef const _Ty* const_pointer;
	typedef _Ty value_type;

	template<class _other>
	struct rebind
	{
		typedef Allocator<_other> other; 
	};

	Allocator()throw() 
	{ //还是一样，什么都不干
	}

	Allocator(const Allocator<_Ty>& )throw()
	{ //复制构造，什么都不干
	}

	template<class _Other>
		Allocator(const Allocator<_Other>&) throw()
		{	
		}
	template<class _Other>
		Allocator<_Ty>& operator=(const Allocator<_Other>&)
		{	
		return (*this);
		}

};

最开始是两个基类，这两个基类没有任何成员，只有一个内置型别，这两个基类不是必须的，可以略过，只是体现一种好的设计而已，最后一个类是模版特化了一个void类型，这样做也只是为了使用void的时候不发生未定义行为，从这一点可以看到STL对各种可能的情况都做了充分的预料，我们主要来看Allocator类！

刚开始定义了一对typedef，这是为分配器类定义一堆内置型别，其实也可以不定义啊，只不过在STL中都这样定义，构建出一种统一的类型型别，方便管理和可读性

接下来的

template<class _other>

struct rebind

{

typedef Allocator<_other> other;

};

这是一个分配器转换方式，可以方便的转换为为另一种类型服务的分配器，比如说我们构造的是T类，如果需要构造T*的时候，可以这样使用

Allocator<T>::rebind<T*>::other pAllocator;

这样pAllocator就是一个为T*服务的分配器，具体参考《STL标准程序库》！



该类接下来的函数都是标准接口必须的，不能少任何一个，其中有变动的是这四个 allocate deallocate destory construct

allocate函数分配一片连续的未被构造的空间备用，

deallocate 函数释放空间

construct函数调用布局new，同时调用构造函数，对象被new定位在指定位置

destory 函数调用析构函数，

之所以说这几个函数可变性比较大，我举个例子，假如我们做一个学生成绩管理系统，当然需要构造学生类，也就是需要从数据库获得数据来初始化学生对象，那么你就可以在construct里面内嵌SQL语句，在你盛装学生对象的容器中，获得的数据来源不是从键盘输入(参数传入)，而是自动的从数据库获取过来，这样岂不是很方便！同理其他几个函数，

这个分配器还是很简单的，就只需要注意那几点，所以我们在写自己的分配器希望和标准容器接口时，需要注意这几点



以后还会使用这个分配器，直接拿来当作SGI STL版本的一级分配器，至于二级分配器，下一节在写！

到此我们可以写个小程序测试一下了：

[cpp]
view plaincopyprint?

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "allocator.h"
using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
std::vector<double,Allocator<double> > vec_double;
std::list<int,Allocator<int> > list_int;
for(int i=0;i<60;i++)
{
list_int.push_back(i);
vec_double.push_back( double(i)/3 );
}

list<int,Allocator<int> >::iterator it = list_int.begin();
vector<double,Allocator<double> >::iterator io = vec_double.begin();

cout<<"list test:"<<endl;
for(; it!= list_int.end();++it)
cout<<*it<<" ";
cout<<endl<<endl;

cout<<"vector test:"<<endl;
for(;io!= vec_double.end();++io)
cout<<*io<<" ";

system("pause");
return 0;
}

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "allocator.h"
using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	std::vector<double,Allocator<double> > vec_double;
	std::list<int,Allocator<int> > list_int;
	for(int i=0;i<60;i++)
	{
		list_int.push_back(i);
		vec_double.push_back( double(i)/3 );
	}
	
	list<int,Allocator<int> >::iterator it = list_int.begin();
	vector<double,Allocator<double> >::iterator io = vec_double.begin();

	cout<<"list test:"<<endl;
	for(; it!= list_int.end();++it)
		cout<<*it<<" ";
	cout<<endl<<endl;

	cout<<"vector test:"<<endl;
	for(;io!= vec_double.end();++io)
		cout<<*io<<" ";

	system("pause");
	return 0;
}