浅谈C++空间配置器allocator

什么是空间配置器allocator

C++中的空间配置器allocator是在使用new/delete进行内存管理的时候，对内存进行分配和释放的一种通用工具。allocator的主要目的是为了解决C++标准库中容器和算法在内存管理方面的低效问题。C++标准库提供了多个类型的allocator，可以满足不同场景下的需求。

allocator的工作流程

allocator的工作流程可以大致分为以下几个步骤：

1. 接收容器请求的内存大小n
2. 预留足够大小的内存，保证用户存储数据用的空间足够大
3. 返回已预留的内存头部指针

allocator的用法

在C++中使用allocator的步骤如下：

1. 创建一个allocator对象
2. 使用allocate()方法分配内存
3. 使用deallocate()方法释放内存

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

int main() {
    std::allocator<int> alloc;
    std::vector<int, std::allocator<int>> vec(alloc);

    int* p = alloc.allocate(10); // 分配大小为10的int数组内存
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        const int value = i + 1;
        alloc.construct(p + i, value); // 在分配的内存中创建对象
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        std::cout << *(p + i) << std::endl; // 打印分配的内存
        alloc.destroy(p + i); // 销毁创建的对象
    }
    alloc.deallocate(p, 10); // 释放分配的内存

    return 0;
}

上述示例中，我们首先创建了一个名为alloc的allocator对象，然后使用它创建了一个大小为10的int数组，并在数组中创建了10个对象，并最终释放了分配的内存。

allocator的示例-自定义allocator

我们可以自定义一些allocator，以满足一些特殊需求。例如，我们可以创建一个总是返回失败的allocator，用于测试容器在内存分配失败的情景下的表现。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

template<typename T>
class AlwaysFailedAllocator {
public:
    typedef T value_type;

    AlwaysFailedAllocator() noexcept {}
    template <typename U> AlwaysFailedAllocator(const AlwaysFailedAllocator<U>& other) noexcept {}

    T* allocate(std::size_t n) {
        std::cout << "[AlwaysFailedAllocator] Memory allocation failed!" << std::endl;
        return nullptr;
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t n) {}

    template<typename U>
    bool operator == (const AlwaysFailedAllocator<U>& other) const noexcept {
        return true;
    }

    template<typename U>
    bool operator != (const AlwaysFailedAllocator<U>& other) const noexcept {
        return false;
    }
};

int main() {
    std::vector<int, AlwaysFailedAllocator<int>> vec;
    vec.reserve(10); // 预留10的空间，此处无实际效果
    vec.push_back(1); // 加入第一个元素，此处会尝试分配内存，但会失败
    return 0;
}

上述示例中，我们创建了一个名为AlwaysFailedAllocator的allocator类型，并在创建vector容器时使用了它，一旦容器需要内存分配，AlwaysFailedAllocator就会返回一个nullptr，使得容器内插入数据的过程中因内存不足而失败。