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C++内存分配器：原理与实现

2023-07-07 03:41:52 深夜i -- --

C++ 内存分配器原理实现

C++是一种面向对象的编程语言，许多程序员喜欢使用它编写高效、灵活的程序。在C++中，内存管理是非常重要的一个方面，因为程序的性能与内存使用效率紧密相关。C++内存管理的底层实现是内存分配器，本文将深入探讨C++内存分配器的原理与实现。

一、什么是内存分配器？

内存分配器是C++STL标准库中的一个重要组件，它负责管理程序的堆内存，即程序运行时需要手动分配和释放的内存。与操作系统自动分配和释放的栈内存不同，堆内存需要程序员手动管理，不合理的使用会导致内存泄露、内存碎片等问题，从而影响程序性能和稳定性。

内存分配器有两大基本任务：

1. 分配内存：当程序需要动态分配内存时，内存分配器会从堆中分配一块内存，并返回该内存块的地址；

2. 释放内存：当程序将不再使用某个内存块时，内存分配器会将该内存块返回到堆中，以便其他程序使用。

二、内存分配器原理

内存分配器通过一些算法和数据结构来管理堆内存，常见的算法有“系统自由列表算法”和“伙伴分配算法”，它们本质上都是为了解决内存碎片问题。内存分配器还可根据实际需求进行优化，例如使用缓存，减少频繁的分配和释放操作。

内存分配器的数据结构通常包括两个链表：空闲链表和使用链表。使用链表记录已分配内存块的信息，空闲链表记录空闲内存块的信息；在进行分配或释放时，内存分配器会遍历空闲链表，检查是否有合适大小的空闲内存块，如果有则分配，否则可能需要重新分配内存或合并不连续的内存块。对于释放内存，内存分配器会检查该内存块是否在使用链表中，如果是，则将其从使用链表中删除，并将其添加到空闲链表末尾。

三、内存分配器实现

自定义内存分配器是一种常见的高级编程技巧，在实际应用中有很多用途。下面是一个使用伙伴分配算法实现的简单内存分配器代码：


// 内存段结构体，用于表示一块内存块
struct MemorySegment
{
  uint16_t size; // 内存段大小
  bool is_free; // 内存段是否空闲
  MemorySegment* next; // 指向下一个内存段
};
class MemoryAllocator
{
public:
  MemoryAllocator()
  
    m_heap = nullptr;
  
// 分配内存
  void* allocate(uint16_t size)
  {
    if (!m_heap) // 初始化内存段
    {
      m_heap = sbrk(size + sizeof(MemorySegment));
      m_heap->size = size;
      m_heap->is_free = false;
      m_heap->next = nullptr;
      return (char*)m_heap + sizeof(MemorySegment);
    }
// 查找空闲内存段
    MemorySegment* current = m_heap;
    while (true)
    {
      if (current->is_free && current->size >= size)
      {
        current->is_free = false;
        return (char*)current + sizeof(MemorySegment);
      }
      if (!current->next) break;
      current = current->next;
    }
// 分配新内存段
    void* ptr = sbrk(size + sizeof(MemorySegment));
    MemorySegment* new_segment = (MemorySegment*)ptr;
    new_segment->size = size;
    new_segment->is_free = false;
    new_segment->next = nullptr;
    current->next = new_segment;
    return (char*)new_segment + sizeof(MemorySegment);
  }
// 释放内存
  void free(void* ptr)
  {
    MemorySegment* current = m_heap;
    while (true)
    {
      if ((char*)current + sizeof(MemorySegment) == ptr)
      
        current->is_free = true;
        return;
      
      if (!current->next) break;
      current = current->next;
    }
  }
private:
  MemorySegment* m_heap; // 内存段链表
};

该代码中，MemoryAllocator类使用sbrk()函数向操作系统申请堆内存，然后使用伙伴分配算法管理分配的内存空间。在allocate()函数中，该算法在空闲内存链表中查找是否有大小匹配的空闲内存块，如果有，则直接返回内存块的地址，否则就在堆中分配新的内存块。在free()函数中，内存分配器会检查该内存块是否在使用链表中，如果是，则将其标记为空闲，并添加到空闲内存链表末尾。

四、结语

内存分配器是一个非常底层的东西，不仅需要掌握内存管理和数据结构等相关技术，还需要深入了解各种算法和底层运行原理。通过学习和实践，程序员们不仅可以编写高质量、低耗能的代码，还能更好地理解计算机运行的本质，提高编程水平和软件开发经验。

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