C++ 标准库（STL）系列教程，分配器部分。

C++ 分配器快速入门

引言

在C++标准模板库（STL）中，分配器Allocator在内存管理方面扮演着一个至关重要的角色。它为容器提供了分配和释放内存的能力，同时确保了资源管理的高效性和安全性。理解Allocator的工作机制对于深入掌握STL容器的内部运作至关重要。

分配器Allocator不仅提供了基本的内存分配和释放功能，还允许用户自定义内存管理策略，这对于性能优化和特殊需求的应用场景尤为重要。

本文将介绍解分配器Allocator的基本概念、工作原理以及如何在实际编程中利用它。

分配器`Allocator`介绍

Allocator是一种用于管理容器中对象内存的策略。

在STL中，默认的Allocator类型是std::allocator<T>，其中T是容器存储的对象类型。

它负责为容器中的对象分配和释放内存，同时也提供了构造和析构对象的功能。

Allocator的主要职责如下：

内存分配与释放：Allocator可以请求系统分配一块特定大小的连续内存空间，并在不再需要时释放这块内存。
对象构造与析构：Allocator能够调用适当的构造函数来初始化新分配的内存上的对象，并在内存释放前调用析构函数来清理对象状态。
内存块的管理：对于大型数据集，Allocator可以管理多个内存块，以减少内存碎片和提高效率。

成员类型

Allocator类拥有几种关键的成员类型，它们定义了与类型相关的特性：

value_type : 定义了Allocator管理的对象类型，通常表示为T。
size_type : 是无符号整数类型，用于表示容器的大小。默认是std::size_t。
difference_type : 是有符号整数类型，用于表示容器中元素间的距离。默认是std::ptrdiff_t。
propagate_on_container_move_assignment : 一个类型别名，用于控制在容器移动赋值时是否传播Allocator。如果std::true_type，则会在移动赋值时复制Allocator；如果是std::false_type，则不会复制。

公开成员函数

构造函数 : 创建一个新的Allocator实例。

默认情况下，Allocator的构造函数是默认构造的，即不接受任何参数。
析构函数 : 析构Allocator实例。

由于Allocator不持有任何资源，因此其析构函数通常是空的。
address : 返回给定对象的地址。

返回 x 的实际地址，即使存在重载的 operator& 也是如此。在C++20之前，这是必要的，因为operator&可能被重载。从C++20开始，此函数变得可选。
allocate : 分配足够的内存来存储n个value_type对象，但不会初始化这些对象。

调用 ::operator new(std::size_t) 或 ::operator new(std::size_t, std::align_val_t) (C++17 起)分配 n * sizeof(T) 字节的未初始化存储，但何时及如何调用此函数是未指定的。指针 hint 可用于提供引用的局部性：如果实现支持，那么 allocator 会试图分配尽可能接近 hint 的新内存块。然后，此函数在该存储中创建一个 T[n] 数组并开始其生存期，但不开始其任何元素的生存期。如果 T 是不完整类型，那么此函数的使用非良构。
deallocate : 释放由allocate函数分配的内存。

解分配指针 p 所引用的存储，指针必须是通过先前调用 allocate() 或 allocate_at_least() (C++23 起) 获得的指针。实参 n 必须等于对原先生成 p 的 allocate() 调用的首个实参，或若 p 由返回 {p, count} 的调用 allocate_at_least(m) 获得，则在范围 [m, count] 中 (C++23 起)；否则行为未定义。调用 ::operator delete(void) 或 ::operator delete(void, std::align_val_t) (C++17 起)，但何时及如何调用是未指定的。
max_size : 返回Allocator能够分配的最大元素数量。

返回理论上可行的 n 最大值，对于它 allocate(n, 0) 调用可能成功。大部分实现中，它返回 std::numeric_limits::max() / sizeof(value_type)。
construct : 在分配的内存上构造一个value_type对象。

用全局的布置 new，在 p 指向的未初始化存储中构造 T 类型对象。 1) 调用 ::new((void)p) T(val)。 2) 调用 ::new((void)p) U(std::forward(args)...)。
destroy : 销毁存储在分配的内存中的value_type对象。

调用 p 指向的对象的析构函数。 1) 调用 p->~T()。 2) 调用 p->~U()。

非成员函数

operator== operator!= : 比较两个Allocator实例是否相等/不等。

比较两个默认分配器。因为默认分配器无状态，故两个默认分配器始终相等。

使用`Allocator`

尽管在大多数情况下，使用默认的std::allocator就足够了，但在某些场景下，可能需要自定义Allocator的行为。

例如，当处理大量数据时，可以通过重写Allocator来实现更高效的内存管理策略，比如使用内存池技术。

示例代码如下：

#include <vector>
#include <iostream>

#include <memory>

template <typename T>
struct CustomAllocator
{
    using value_type = T;
    using size_type = std::size_t;
    using difference_type = std::ptrdiff_t;
    using propagate_on_container_move_assignment = std::true_type;

    T *allocate(size_type n)
    {
        return static_cast<T *>(::operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T *p, size_type)
    {
        ::operator delete(p);
    }

    void construct(T *p, const T &val)
    {
        new (static_cast<void *>(p)) T(val);
    }

    void destroy(T *p)
    {
        p->~T();
    }

    bool operator==(const CustomAllocator &) const noexcept
    {
        return true;
    }

    bool operator!=(const CustomAllocator &) const noexcept
    {
        return false;
    }
};

int main()
{
    std::vector<int, CustomAllocator<int>> vec;
    vec.push_back(666);
    std::cout << "Vector contains: " << vec[0] << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个简单的CustomAllocator。它重载了allocate和deallocate等方法，直接使用new和delete操作符进行内存管理。然后，我们创建了一个使用自定义分配器的std::vector实例并打印。

总的来说，Allocator为容器提供了高效、安全的内存管理能力。

通过理解和应用Allocator，可以进一步优化代码，特别是在处理大规模数据集或有特殊内存需求的应用中。

至此常见的分配器Allocator相关用法已经介绍完毕了。

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