C++中的std::allocator

发布于：2025-05-13 ⋅ 阅读:(15) ⋅ 点赞:(0)

C++中的std::allocator

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1.std::allocator

C++中的std::allocator默默工作在C++STL中的所有容器的内存分配上，很多内存池是按照std::allocator的标准来实现的，甚至很多开源的内存储项目可以和大多数STL容器兼容，在很多场景下，内存池是std::allocator的优化。

在C++中，传统new操作符将内存分配（operator new，这里的operator new是C++的内存分配原语，默认调用C语言中的malloc，只是进行内存分配）和对象构造（构造函数）耦合。即new运算符需要同时完成内存分配和对象构造两个操作。

std::allocator将解耦内存分配和对象构造这两个操作，按照C++11的标准，实现一个std::allocator需要包含以下的元素和方法：

  • value_type：将模板的参数类型T定义为value_type，如using value_type = T;或者typedef T value_type;
  • allocate()：仅分配原始内存，功能就类似opeartor new
  • construct()：在预分配的内存上构造对象（通过使用C++中的placement new机制）
  • destroy()：析构对象但不释放内存
  • deallocate()：释放原始内存（类似于operator delete）

注释： https://cplusplus.com/reference/memory/allocator/

1.1C++中的placement new 和operator new

placement new 是C++中一种特使的内存分配的对象构造机制，它允许在已分配的内存上直接构造对象，而不是通过传统的new操作符同时分配内存和构造对象。

placement new的语法形式为：

new (pointer) Type(constructor_arguments);

其中：

  • pointer是指向已分配内存的指针
  • Type是要构造的对象
  • constructor_arguments是构造函数的参数

placement new的工作原理是，不调用operator new来分配内存，而是在给定的内存地址上直接调用构造函数，最后返回传入的指针（将指针类型转换为目标类型）。placement new由C++标准库提供默认实现，不可重载：

// 标准库中的 placement new 声明（不可重载）
void* operator new(size_t, void* ptr) noexcept {
    return ptr;  // 直接返回传入的指针
}

乍一看，这个placement new的实现什么都没干，是如何完成对象的构造呢？其实是依靠语法来进行创建的：

new (pointer) Type(constructor_arguments);

这里仍然调用了Type(constructor_arguments)，即调用了对象的构造函数，在pointer指定的内存上进行构造，举个例子：

#include <iostream>
struct Example {
    int value;
    Example(int val) : value(val) {
        std::cout << "Constructed at " << this << " with value " << value << std::endl;
    }
    ~Example() {
        std::cout << "Destructed at " << this << std::endl;
    }
};
int main() {
    // 手动分配一块内存
    void* buffer = operator new(sizeof(Example));
    // 使用placement new在这块内存上构造对象
    Example* obj = new (buffer) Example(42);
    // 显式调用析构函数（这很重要！）
    obj->~Example();
    // 释放内存
    operator delete(buffer);
    return 0;
}

输出为：

Constructed at 0x7fec4c400030 with value 42
Destructed at 0x7fec4c400030

operator new是C++的内存分配原语，默认调用malloc进行内存分配，返回void*，指向未初始化的原始内存，可以重载operator new以自定义其内存分配行为：

// 自定义全局 operator new
void* operator new(size_t size){
	std::cout << "Allocating " << size << " bytes\n";
	return malloc(size);
}

使用opeartor new和placement new的典型场景如下：

// 仅分配内存，不构造对象
void* raw_mem = operator new(sizeof(MyClass));

// 需要手动构造对象（例如通过 placement new）
MyClass* obj = new (raw_mem) MyClass();  // 调用构造函数

// 必须手动析构和释放
obj->~MyClass();
operator delete(raw_mem);

核心区别：

特性 operator new placement new
作用 仅分配原始内存（不构造对象） 在已分配的内存上构造对象
是否调用构造函数 否 是
内存来源 通常来自于堆（可通过重载自定义） 由程序员预先提供
语法 void* p = operator new(size) new (ptr) Type(args...)
是否可重载 可重载全局或类特定的operator new 不能重载，已经有固定实现

1.2一个custom allocator的实现

一个自定义的allocator需要实现以下的方法：

方法 描述 等效操作
allocate(n) 分配n* sizeof(T)字节 operator new
deallocate(p, n) 释放从p开始的n个元素 operator delete
construct(p, args) 在p构造对象（C++17已弃用） new(p) T(args...)
destroy(p) 析构p处对象（C++17已弃用） p->~T()

注释：C++17 后推荐通过 std::allocator_traits 访问接口，以支持自定义分配器的可选方法。

按照C++11的标准实现一个allocator：

#include <iostream>
#include <vector>
template<typename T>
class TrackingAllocator {
public:
    using value_type = T;

    TrackingAllocator() = default;
    
	// 支持 Rebinding（重新绑定)
    template<typename U>
    TrackingAllocator(const TrackingAllocator<U>&) {}

    T* allocate(size_t n) {
        size_t bytes = n * sizeof(T);
        std::cout << "Allocating " << bytes << " bytes\n";
        return static_cast<T*>(::operator new(bytes));
    }

    void deallocate(T* p, size_t n) {
        ::operator delete(p);
        std::cout << "Deallocating " << n * sizeof(T) << " bytes\n";
    }

    // 支持同类型分配器比较（无状态）
    bool operator==(const TrackingAllocator&) { return true; }
    bool operator!=(const TrackingAllocator&) { return false; }
};

// 使用示例
int main() {
    // 使用自定义分配器
    std::vector<int, TrackingAllocator<int>> vec;
    vec.push_back(42);  // 输出分配信息
    vec.push_back(13);  // 输出分配信息
    // 清空向量
    vec.clear();  // 输出释放信息
    return 0;
}

输出：

Allocating 4 bytes
Allocating 8 bytes
Deallocating 4 bytes
Deallocating 8 bytes

1.3使用std::allocator_traits实现allocator

在 C++17 及之后版本中，推荐通过 std::allocator_traits 访问分配器接口，而非直接调用分配器的方法。这是因为 allocator_traits 提供了一种统一且安全的方式来与分配器交互，即使自定义分配器没有实现某些可选方法，也能通过默认实现正常工作。

  • 兼容性：即使自定义分配器未实现某些方法（如 construct/destroy），allocator_traits 会提供默认实现。
  • 灵活性：允许分配器仅实现必要的接口，其余由 allocator_traits 补充。
  • 标准化：所有标准库容器（如 std::vector、std::list）内部都使用 allocator_traits 而非直接调用分配器。

注释：https://cplusplus.com/reference/memory/allocator_traits/

关键接口对比（使用C++11标准 vs. C++17标准）

操作 C++11，直接调用分配器alloc C++17，通过allocator_traits(std::allocator_traits<Alloc>)
分配内存 alloc.allocate(n) allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc, n)
释放内存 alloc.deallocate(p, n) allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc, p, n)
构造对象 alloc.construct(p, args) allocator_traits<Alloc>::construct(alloc, p, args...)
析构对象 alloc.destroy(p) allocator_traits<Alloc>::destroy(alloc, p)
获取最大大小 alloc.max_size() allocator_traits<Alloc>::max_size(alloc)
重新绑定分配器类型 alloc.rebind<U>::other allocator_traits<Alloc>::rebind_alloc<U>

注释：C++17 后 construct 和 destroy 被废弃，推荐直接使用 std::allocator_traits 或 placement new/显式析构。

举个极简分配器的例子：

#include <iostream>
#include <memory>  // std::allocator_traits

template <typename T>
struct SimpleAllocator {
    using value_type = T;

    // 必须提供 allocate 和 deallocate
    T* allocate(size_t n) {
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }
    void deallocate(T* p, size_t n) {
        ::operator delete(p);
    }
    // 不提供 construct/destroy，由 allocator_traits 提供默认实现
};

struct Widget {
    int id;
    Widget(int i) : id(i) { std::cout << "Construct Widget " << id << "\n"; }
    ~Widget() { std::cout << "Destroy Widget " << id << "\n"; }
};

int main() {
    using Alloc = SimpleAllocator<Widget>;
    Alloc alloc;
    // 1. 分配内存（通过 allocator_traits）
    auto p = std::allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc, 1);
    // 2. 构造对象（即使 SimpleAllocator 没有 construct 方法！）
    std::allocator_traits<Alloc>::construct(alloc, p, 42);  // 调用 Widget(42)
    // 3. 析构对象（即使 SimpleAllocator 没有 destroy 方法！）
    std::allocator_traits<Alloc>::destroy(alloc, p);
    // 4. 释放内存
    std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc, p, 1);
    return 0;
}

输出：

Construct Widget 42
Destroy Widget 42

一个更复杂的自定义分配器示例（带状态）

#include <iostream>
#include <memory>  // std::allocator_traits

template <typename T>
class TrackingAllocator {
    size_t total_allocated = 0;
public:
    using value_type = T;

    T* allocate(size_t n) {
        total_allocated += n * sizeof(T);
        std::cout << "Allocated " << n * sizeof(T) << " bytes (Total: " << total_allocated << ")\n";
        return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* p, size_t n) {
        total_allocated -= n * sizeof(T);
        std::cout << "Deallocated " << n * sizeof(T) << " bytes (Remaining: " << total_allocated << ")\n";
        ::operator delete(p);
    }

    // 支持比较（相同类型的 TrackingAllocator 才等价）
    bool operator==(const TrackingAllocator& other) const {
        return false;  // 有状态，不同实例不能混用
    }
    bool operator!=(const TrackingAllocator& other) const {
        return true;
    }
};

int main() {
    using Alloc = TrackingAllocator<int>;
    Alloc alloc1, alloc2;

    auto p1 = std::allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc1, 2);
    auto p2 = std::allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc2, 3);
    // 必须用相同的 allocator 实例释放！
    std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc1, p1, 2);
    std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc2, p2, 3);
    return 0;
}

输出：

Allocated 8 bytes (Total: 8)
Allocated 12 bytes (Total: 12)
Deallocated 8 bytes (Remaining: 0)
Deallocated 12 bytes (Remaining: 0)

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