Лекция 35. Аллокаторы, allocator_traits

Динамическое распределение памяти с помощью распределителей Стандартные контейнеры используют объекты-распределители для динамического управления памятью, а не для хранения в фиксированном стеке. Каждый раз, когда элемент вставляется в контейнеры, такие как списки, карты или наборы, механизм запускает новый вызов оператора для выделения пространства. Такая конструкция гарантирует, что контейнеры могут гибко обрабатывать данные произвольных размеров, не прибегая к прямому управлению памятью.

Затраты на производительность, связанные с частым распределением ресурсов Каждая вставка в контейнеры, такие как списки или неупорядоченные карты, приводит к вызову operator new, что приводит к заметному снижению производительности. Повторное динамическое выделение памяти может происходить значительно медленнее по сравнению со стратегиями повторного использования предварительно выделенной памяти, как это видно на примере векторов. Неизбежные издержки, связанные с таким распределением ресурсов, подчеркивают важность компромисса между динамичным ростом и эффективностью выполнения.

Настройка поведения Памяти с помощью Абстракции Распределителя Распределители действуют как промежуточный уровень между операциями контейнера и низкоуровневыми системными вызовами для выделения памяти. Эта абстракция не только упрощает вызов operator new, но и позволяет настраивать, например, заменять динамическую память стековой, когда это применимо. Отделяя контейнерную логику от прямого выделения памяти, распределители обеспечивают повышенную гибкость и оптимизацию различных компонентов стандартной библиотеки.

Построение базового подхода к распределению ресурсов Упрощенная структура распределителя создана для имитации функциональности стандартного распределителя. Его дизайн заменяет прямое использование operator new минималистичным подходом, ориентированным исключительно на управление памятью. Основное внимание уделяется созданию простой схемы, которая позволяет избежать ненужных сложностей.

Управление основной памятью с помощью функции выделения и освобождения Управление памятью сосредоточено на двух основных операциях: выделении и освобождении. Allocate заменяет прямые вызовы operator new, резервируя необработанную память для определенного количества объектов, четко отделяя резервирование памяти от создания объектов. Deallocate затем соответствующим образом освобождает выделенную память, когда она больше не нужна.

Управление временем жизни объекта с помощью функций создания и уничтожения В дополнение к распределению памяти распределитель управляет жизненным циклом объекта с помощью функций construct и destroy. В Construct используется функция placement new с переменными шаблонами для создания объектов в предварительно выделенной памяти. Destroy явно вызывает деструктор объекта для обеспечения надлежащей очистки ресурсов, учитывая некоторые существующие сложности с обработкой аргументов шаблона.

Обработка равенства распределителей и особенностей шаблонов Нюансы в конструкции распределителя включают в себя то, как обрабатывается равенство, при этом стандартные распределители обычно считаются равными. В обсуждении подчеркивается невозможность перегрузки операторов равенства для разных типов и необходимость избегать ненужного копирования. В нем также затрагиваются проблемы, возникающие из-за переменных аргументов шаблона, указывая на области для дальнейшей доработки.

Интеграция распределителя в векторный дизайн В обсуждении рассматривается включение распределителя в std::vector, подчеркивается его роль в замене стандартного оператора new. Vector сохраняет объект распределителя в качестве одного из своих внутренних полей наряду с другими метаданными. Этот шаблон проектирования единообразно применяется ко всем стандартным контейнерам, гарантируя, что экземпляры распределителей различных типов остаются сопоставимыми.

Расширение функциональности резервирования с помощью логики распределителя В описании объясняется, как был переработан reserve для интеграции операций распределителя, что обеспечивает надлежащее распределение новой емкости. В нем подробно описывается использование методов распределителя для создания, уничтожения и освобождения элементов при изменении размера. Это тщательное переосмысление учитывает как новые, так и старые возможности, приводя управление памятью вектора в соответствие с семантикой распределителя.

Векторные конструкторы и исследование нестандартных распределителей Основное внимание уделяется конструкторам множественных векторов, которые принимают распределители, демонстрируя способность создавать векторы либо из неявных распределителей по умолчанию, либо из явных параметров, таких как размер или пары итераторов. Поясняется, что создание вектора по умолчанию зависит от того, имеет ли распределитель конструктор по умолчанию, дизайн, который можно увидеть в других контейнерах, таких как списки и карты. Обсуждение завершается намеком на теоретические вариации, такие как распределители пулов, которые выполняют обширные операции, выходящие за рамки стандартного поведения.

Нестандартная стратегия выделения памяти использует локатор, который предварительно выделяет большой массив памяти и разбивает его на управляемые фрагменты. Он принимает исходный массив, такой как std::array из миллиона символов, и сохраняет ссылку на него, гарантируя, что выделение выполняется только один раз. Такой подход позволяет локатору работать исключительно с памятью стека, имитируя динамическое распределение, позволяя создавать контейнеры, такие как связанные списки и карты, непосредственно в стеке.

Несоответствие распределения в списке std:: std::list сталкивается с уникальной проблемой, поскольку ему необходимо распределять внутренние структуры узлов, а не просто управлять элементами типа T, как это делает std::vector. Контейнер должен адаптировать распределитель, изначально предназначенный для T, для правильного распределения узлов. Это требование раскрывает проблему несоответствия типов, присущую управлению памятью контейнера.

Шаблонные функции вместо распределителя шаблонов Вместо того, чтобы превращать весь распределитель в шаблон, при разработке были использованы шаблонные распределители с шаблонными функциями-членами. Это решение позволяет избежать избыточной специализации шаблонов и делает код более понятным. Такой подход эффективно сочетает гибкость и простоту в решении различных задач распределения.

Механизм мета-повторной привязки для обеспечения гибкости распределителя Введена мета-функция rebind для преобразования распределителя из одного типа в другой, что позволяет распределять типы узлов. Этот механизм создает псевдоним для получения правильного типа распределителя, необходимого контейнеру. Это также позволяет создавать распределитель из другого распределителя другого типа, обеспечивая согласованное управление памятью.

Абстрагирование выделения памяти с помощью пользовательских распределителей Создание памяти намеренно абстрагировано от прямых вызовов глобального оператора new. Контейнер использует процедуры создания и уничтожения, предоставляемые распределителем, делегируя выделение памяти с помощью виртуальных функций. Это разделение позволяет использовать пользовательские стратегии выделения и отделяет поведение контейнера от стандартных механизмов выделения.

В обсуждении рассматривается, почему распределитель не может использоваться в качестве параметра шаблона из-за его смешанной природы. В нем подчеркивается, что распределители сочетают типовые параметры с числовыми, такими как фиксированный размер пула, который должен быть заранее определен для обеспечения безопасности. Ограничение замены распределителя соответствующими размерами пула нецелесообразно и снижает гибкость. Следовательно, распределитель используется в базовых сценариях, а не в качестве универсального аргумента шаблона.

Расшифровка синтаксиса шаблона: Устранение неоднозначностей с макросами и зависимыми именами Загадочная ошибка компиляции привела к тщательному пересмотру использования макроса, в котором двойные круглые скобки использовались для предотвращения неоднозначного анализа шаблонных выражений. Решение зависело от уточнения двойного зависимого имени, чтобы оно правильно интерпретировалось как параметр шаблона и не принималось за оператор. С учетом этих корректировок код был успешно скомпилирован и подтвердил ожидаемый размер вектора.

Оптимизация памяти контейнера с помощью наследования пустой базы Инновационная стратегия экономии памяти была реализована в дизайне контейнера, где дополнительный локатор - по сути, пустой тип — минимизирует накладные расходы, практически не занимая места. Благодаря тому, что вектор наследуется от локатора распределителя, ненужного использования памяти удается избежать за счет оптимизации пустой базы. Этот подход дополняется атрибутом C++20, который позволяет перекрывать адреса полей, демонстрируя передовой метод оптимизации производительности контейнера.

Отложенное управление памятью с помощью распределителей с отслеживанием состояния Инновационные распределители задерживают фактическое освобождение памяти, перемещая освобожденные узлы во внутреннее хранилище, а не возвращая их в систему. Такая конструкция способствует повторному использованию памяти, поскольку новые запросы на выделение могут быть получены из пула доступных узлов без стандартного освобождения. Это иллюстрирует отход от традиционного поведения, подчеркивая эффективность за счет отложенного управления памятью.

Интеграция произвольных распределителей в пользовательские контейнеры Контейнеры, такие как пользовательский список, предназначены для безупречной работы как со стандартными, так и с нестандартными распределителями, в том числе с отслеживанием состояния. Реализация требует создания поддержки распределителей, которые не только управляют памятью из разных источников, но и координируются со специализированными распределителями на основе стека. Такая интеграция гарантирует, что контейнеры эффективно справляются с выделением и освобождением памяти независимо от нетрадиционных особенностей распределителя.

Эффективное копирование Благодаря Совместному использованию Ссылок из Пула При копировании распределителя с отслеживанием состояния выполняется тщательная обработка путем репликации только его ссылки на пул памяти, а не дублирования всего пула. Этот метод позволяет избежать чрезмерных затрат и потенциальных ошибок, гарантируя, что базовая память управляется как отдельный совместно используемый объект. Включение механизмов подсчета ссылок гарантирует, что память сохраняется до тех пор, пока не будет удалена последняя ссылка, сохраняя целостность ресурсов при сохранении упрощенной семантики копирования.

Стандартизация основных элементов пользовательского распределителя Создание пользовательского распределителя требует определения ключевых функций, таких как создание и уничтожение, а также основных структур типов. Свойства распределителя служат основой, которая стандартизирует эти операции, поэтому их не нужно повторно реализовывать в каждом распределителе. Эта платформа реализует заранее определенные функциональные возможности, оптимизируя процесс разработки и обеспечивая согласованность в управлении памятью.

Централизация операций с памятью с помощью признаков Шаблон allocator_traits инкапсулирует статические функции, такие как construct, destroy и мета-функция rebind, для упрощения преобразования типов. Эти функции централизуют операции с памятью для обеспечения единообразного поведения в различных реализациях распределителя. Такая конструкция позволяет контейнерам получать косвенный доступ к функциям памяти, полагаясь на согласованный интерфейс, а не на прямой вызов распределителя.

Повышение производительности контейнера с помощью пользовательских распределителей Использование пользовательских распределителей, которые соответствуют структуре traits, может значительно повысить производительность при работе с контейнерами. Оптимизированное управление памятью сокращает количество избыточных вызовов operator new при частых вставках и удалениях, что значительно ускоряет процесс по сравнению со стандартным распределителем. Такая эффективность имеет решающее значение в сценариях соревновательного тестирования, где скорость выполнения является решающим фактором.