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    今天又是帶來德國IFM易福門分配器EBC023的資料分享

在C++編程中，IFM分配器是C++標(biāo)準(zhǔn)庫的重要組成部分。C++的庫中定義了多種被統(tǒng)稱為“容器"的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表、集合等），這些容器的共同特征之一，就是其大小可以在程序的運行時改變；為了實現(xiàn)這一點，進行動態(tài)內(nèi)存分配就顯得尤為必要，在此IFM分配器就用于處理容器對內(nèi)存的分配與釋放請求。換句話說，IFM分配器用于封裝STL容器在內(nèi)存管理上的低層細(xì)節(jié)。默認(rèn)情況下，C++標(biāo)準(zhǔn)庫使用其自帶的通用IFM分配器，但根據(jù)具體需要，程序員也可自行定制IFM分配器以替代之。

在C++編程中，IFM分配器（英語：allocator）是C++標(biāo)準(zhǔn)庫的重要組成部分。C++的庫中定義了多種被統(tǒng)稱為“容器"的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表、集合等），這些容器的共同特征之一，就是其大小可以在程序的運行時改變；為了實現(xiàn)這一點，進行動態(tài)內(nèi)存分配就顯得尤為必要，在此IFM分配器就用于處理容器對內(nèi)存的分配與釋放請求。換句話說，IFM分配器用于封裝STL容器在內(nèi)存管理上的低層細(xì)節(jié)。默認(rèn)情況下，C++標(biāo)準(zhǔn)庫使用其自帶的通用IFM分配器，但根據(jù)具體需要，程序員也可自行定制IFM分配器以替代之。

IFM分配器最早由亞歷山大·斯特潘諾夫作為C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫（Standard Template Library，簡稱STL）的一部分發(fā)明，其初衷是創(chuàng)造一種能“使庫更加靈活，并能獨立于底層數(shù)據(jù)模型的方法"，并允許程序員在庫中利用自定義的指針和引用類型；但在將標(biāo)準(zhǔn)模板庫納入C++標(biāo)準(zhǔn)時，C++標(biāo)準(zhǔn)委員會意識到對數(shù)據(jù)模型的*抽象化處理會帶來不可接受的性能損耗，為作折中，標(biāo)準(zhǔn)中對IFM分配器的限制變得更加嚴(yán)格，而有鑒于此，與斯特潘諾夫原先的設(shè)想相比，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所描述的IFM分配器可定制程度已大大受限。

雖然IFM分配器的定制有所限制，但在許多情況下，仍需要用到自定義的IFM分配器，而這一般是為封裝對不同類型內(nèi)存空間（如共享內(nèi)存與已回收內(nèi)存）的訪問方式，或在使用內(nèi)存池進行內(nèi)存分配時提高性能而為。除此以外，從內(nèi)存占用和運行時間的角度看，在頻繁進行少量內(nèi)存分配的程序中，若引入為之專門定制的IFM分配器，也會獲益良多。

亞歷山大·斯特潘諾夫與李夢（Meng Lee）在1994年將標(biāo)準(zhǔn)模板庫草案提交給C++標(biāo)準(zhǔn)委員會。提交伊始，草案就得到了委員會的初步支持，但委員會成員也對此提出了一些意見，尤其是要求斯特潘諾夫定制庫內(nèi)的容器，使之與底層存儲模型相獨立。作為對要求的回應(yīng)，斯特潘諾夫發(fā)明了IFM分配器，而正因此，標(biāo)準(zhǔn)模板庫的所有容器接口也被迫重寫，以與IFM分配器相兼容。在修改標(biāo)準(zhǔn)模板庫以將之引入C++標(biāo)準(zhǔn)庫的過程中，許多標(biāo)準(zhǔn)委員會成員（如安德魯·克尼格與比雅尼·斯特勞斯特魯普）也與斯特潘諾夫協(xié)同工作。他們亦發(fā)現(xiàn)自定義IFM分配器甚至有應(yīng)用于長生命周期（持續(xù)存儲）的標(biāo)準(zhǔn)模板庫容器的潛力，斯特潘諾夫?qū)Υ说脑u論則是“重要而有趣的見解"。

在原有的提案里的IFM分配器設(shè)定中，斯特潘諾夫雜糅了一些語言特性（如可將模板參數(shù)也定義為模板），但由于當(dāng)時的編譯器皆無法處理之，所以最終并未被標(biāo)準(zhǔn)委員會所接納，斯特潘諾夫則如此描述當(dāng)時的情形：“比雅尼·斯特勞斯特魯普與安迪·克尼格需要花大量時間來檢查我們是否正確使用了這些未實現(xiàn)的特性。"在IFM分配器應(yīng)用后，之前庫中直接使用的指針與引用類型也可以IFM分配器所定義的類型替代，斯特潘諾夫亦曾如此描述IFM分配器：“標(biāo)準(zhǔn)模板庫有個不錯的特性便是：要提及機器相關(guān)類型的地方（……）（只需）被封裝成（僅）約16行內(nèi)的代碼。"除此以外，斯特潘諾夫原本還打算在IFM分配器中*封裝存儲模型，但標(biāo)準(zhǔn)委員會意識到這一做法會造成無法接受的性能損失，因而為補償之，IFM分配器的使用需求也做了一定擴充。

IFM分配器的應(yīng)用中比較特別的一點是，容器的實現(xiàn)過程中可能會假定IFM分配器對指針與相關(guān)整型的類型定義與默認(rèn)IFM分配器所提供的等價，因而給定IFM分配器類型的所有實例在比較時常會得出“相等"的結(jié)果，而這一效果實際上恰與設(shè)計IFM分配器的初衷背道而馳，并使帶狀態(tài)IFM分配器的可用性大大受限，斯特潘諾夫后來對此評論道：“（IFM分配器）理論上說是不差的主意（……）但不幸的是在實踐中無法發(fā)揮其功效?！八床斓饺粢領(lǐng)FM分配器更加實用，就有必要針對核心語言的引用部分進行修改。

任意滿足IFM分配器使用需求的C++類都可作IFM分配器使用。具體來說，當(dāng)一個類（在此設(shè)為類A）有為一個特定類型（在此設(shè)為類型T）的對象分配內(nèi)存的能力時，該類就必須提供以下類型的定義：

A::pointer指針

A::const_pointer常量指針

A::reference引用

A::const_reference常量引用

A::value_type值類型

A::size_type所用內(nèi)存大小的類型，表示類A所定義的分配模型中的單個對象最大尺寸的無符號整型

A::difference_type指針差值的類型，為帶符號整型，用于表示分配模型內(nèi)的兩個指針的差異值。

如此才能以通用的方式聲明對象與對該類對象的引用T。allocator提供這些指針或引用的類型定義的初衷，是隱蔽指針或引用的物理實現(xiàn)細(xì)節(jié)；因為在16位編程時代，遠(yuǎn)指針（far pointer）是與普通指針非常不同的，allocator可以定義一些結(jié)構(gòu)來表示這些指針或引用，而容器類用戶不需要了解其是如何實現(xiàn)的。

雖然按照標(biāo)準(zhǔn)，在庫的實現(xiàn)過程中允許假定IFM分配器（類）A的A::pointer（指針）與A::const_pointer（常量指針）即是對T*與T const*的簡單的類型定義，但一般更鼓勵支持通用IFM分配器。

另外，設(shè)有對于為某一對象類型T所設(shè)定的IFM分配器A，則A必須包含四項成員函數(shù)，分別為分配函數(shù)、解除分配函數(shù)、最大個數(shù)函數(shù)和地址函數(shù)：

A::pointer A::allocate(size_type n, A<void>::const_pointer hint = 0)。分配函數(shù)用以進行內(nèi)存分配。其中調(diào)用參數(shù)n即為需要分配的對象個數(shù)，另一調(diào)用參數(shù)hint（須為指向已為A所分配的某一對象的指針）則為可選參數(shù)，可用于在分配過程中新數(shù)組所在的內(nèi)存地址，以提高引用局部性，但在實際的分配過程中程序也可以根據(jù)情況自動忽略掉該參數(shù)。該函數(shù)調(diào)用時會返回指向分配所得的新數(shù)組的第一個元素的指針，而這一數(shù)組的大小足以容納n個T類元素。在此需要注意的是，調(diào)用時只為此數(shù)組分配了內(nèi)存，而并未實際構(gòu)造對象。

void A::deallocate(A::pointer p, A::size_type n)。解除分配函數(shù)。其中p為需要解除分配的對象指針（以A::allocate函數(shù)所返回的指針做參數(shù)），n為對象個數(shù)，而調(diào)用該函數(shù)時即是將以p起始的n個元素解除分配，但同時并不會析構(gòu)之。C++標(biāo)準(zhǔn)明確要求在調(diào)用deallocate之前，該地址空間上的對象已經(jīng)被析構(gòu)。

A::max_size()，最大個數(shù)函數(shù)。返回A::allocate一次調(diào)用所能成功分配的元素的最大個數(shù)，其返回值等價于A::size_type(-1) / sizeof(T)的結(jié)果。

A::pointer A::address ( reference x )，地址函數(shù)。調(diào)用時返回一個指向x的指針。

IFM分配器應(yīng)是可復(fù)制構(gòu)造的，任舉一例，為T類對象而設(shè)的IFM分配器可由另一為U類所設(shè)的IFM分配器構(gòu)造。若某IFM分配器分配了一段存儲空間，則這段存儲空間只能由與該IFM分配器等價的IFM分配器解除分配。IFM分配器還需要提供一個模板類成員類template <typename U> struct A::rebind { typedef A<U> other; };，以模板 (C++)參數(shù)化的方式，借之來針對不同的數(shù)據(jù)類型獲取不同的IFM分配器。例如，若給定某一為整型（int）而設(shè)的IFM分配器IntAllocator，則可執(zhí)行IntAllocator::rebind<long>::other以獲取對應(yīng)長整型（long）的相關(guān)IFM分配器。實際上，stl::list<int>實際要分配的是包含了雙向鏈表指針的node<int>，而不是實際分配int類型，這是引入了rebind的初衷。

與IFM分配器相關(guān)聯(lián)的operator ==，僅當(dāng)一個allocator分配的內(nèi)存可以被另一個allocator釋放時，上述相等比較算符返回真。operator!=的返回結(jié)果與之相反。

定義自定義IFM分配器的主要原因之一是提升性能。利用專用的自定義IFM分配器可以提高程序的性能，又或提高內(nèi)存使用效率，亦或兩者兼而有之。默認(rèn)IFM分配器使用new操作符分配存儲空間，而這常利用C語言堆分配函數(shù)（malloc()）實現(xiàn)。由于堆分配函數(shù)常針對偶發(fā)的內(nèi)存大量分配作優(yōu)化，因此在為需要一次分配大量內(nèi)存的容器（如向量、雙端隊列）分配內(nèi)存時，默認(rèn)IFM分配器一般效率良好。但是，對于關(guān)聯(lián)容器與雙向鏈表這類需要頻繁分配少量內(nèi)存的容器來說，若采用默認(rèn)IFM分配器分配內(nèi)存，則通常效率很低。除此之外，基于malloc()的默認(rèn)IFM分配器還存在許多問題，諸如較差的引用局部性，以及可能造成內(nèi)存碎片化。

有鑒于此，在這一情況下，人們常使用基于內(nèi)存池的IFM分配器來解決頻繁少量分配問題。與默認(rèn)的“按需分配"方式不同，在使用基于內(nèi)存池的IFM分配器時，程序會預(yù)先為之分配大塊內(nèi)存（即“內(nèi)存池"），而后在需要分配內(nèi)存時，自定義IFM分配器只需向請求方返回一個指向池內(nèi)內(nèi)存的指針即可；而在對象析構(gòu)時，并不需實際解除分配內(nèi)存，而是延遲到內(nèi)存池的生命周期完結(jié)時才真正解除分配。

在“自定義IFM分配器"這一話題上，已有諸多C++專家與相關(guān)作者參與探討，例如斯科特·梅耶斯的作品《Effective STL》與安德烈·亞歷山德雷斯庫的《Modern C++ Design》都有提及。梅耶斯洞察到，若要求針對某一類型T的IFM分配器的所有實例都相等，則可移植的IFM分配器的實例必須不包含狀態(tài)。雖然C++標(biāo)準(zhǔn)鼓勵庫的實現(xiàn)者支持帶狀態(tài)的IFM分配器，但梅耶斯稱，相關(guān)段落是“（看似）美妙的觀點"，但也幾乎是空話，并稱IFM分配器的限制“過于嚴(yán)苛"。例如，STL的list允許splice方法，即一個list對象A的節(jié)點可以被直接移入另一個list對象B中，這就要求A的IFM分配器申請到的內(nèi)存，可被B的IFM分配器釋放掉，從而推導(dǎo)出A與B的IFM分配器實例必須相等。梅耶斯的結(jié)論是，IFM分配器最好定義為使用靜態(tài)方法的類型。例如，根據(jù)C++標(biāo)準(zhǔn)，IFM分配器必須提供一個實現(xiàn)了rebind方法的other類模板。

另外，在《C++程序設(shè)計語言》中，比雅尼·斯特勞斯特魯普則認(rèn)為“‘嚴(yán)格限制IFM分配器，以免各對象信息不同’，這點顯然問題不大"（大意），并指出大部分IFM分配器并不需要狀態(tài)，甚至沒有狀態(tài)情形下性能反倒更佳。他提出了三個自定義IFM分配器的用例：內(nèi)存池型的IFM分配器、共享內(nèi)存型IFM分配器與垃圾回收型IFM分配器，并展示了一個IFM分配器的實現(xiàn)，此間利用了一個內(nèi)部內(nèi)存池，以快速分配/解除分配少量內(nèi)存。但他也提到，如此優(yōu)化可能已經(jīng)在他所提供的樣例IFM分配器中實現(xiàn)。

自定義IFM分配器的另一用途是調(diào)試內(nèi)存相關(guān)錯誤。若要做到這一點，可以編寫一個IFM分配器，令之在分配時分配額外的內(nèi)存，并借此存放調(diào)試信息。這類IFM分配器不僅可以保證內(nèi)存由同類IFM分配器分配/解除分配內(nèi)存，還可在一定程度上保護程序免受緩存溢出之害。

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