C++中的std::allocator

C++中的std::allocator

文章目錄

  • C++中的std::allocator
    • 1.`std::allocator`
      • 1.1C++中的placement new 和`operator new`
      • 1.2一個custom allocator的實現
      • 1.3使用`std::allocator_traits`實現allocator

1.std::allocator

C++中的std::allocator默默工作在C++STL中的所有容器的內存分配上，很多內存池是按照std::allocator的標準來實現的，甚至很多開源的內存儲項目可以和大多數STL容器兼容，在很多場景下，內存池是std::allocator的優化。

在C++中，傳統new操作符將內存分配（operator new，這里的operator new是C++的內存分配原語，默認調用C語言中的malloc，只是進行內存分配）和對象構造（構造函數）耦合。即new運算符需要同時完成內存分配和對象構造兩個操作。

std::allocator將解耦內存分配和對象構造這兩個操作，按照C++11的標準，實現一個std::allocator需要包含以下的元素和方法：

  • value_type：將模板的參數類型T定義為value_type，如using value_type = T;或者typedef T value_type;
  • allocate()：僅分配原始內存，功能就類似opeartor new
  • construct()：在預分配的內存上構造對象（通過使用C++中的placement new機制）
  • destroy()：析構對象但不釋放內存
  • deallocate()：釋放原始內存（類似于operator delete）

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

1.1C++中的placement new 和operator new

placement new 是C++中一種特使的內存分配的對象構造機制，它允許在已分配的內存上直接構造對象，而不是通過傳統的new操作符同時分配內存和構造對象。

placement new的語法形式為：

new (pointer) Type(constructor_arguments);

其中：

  • pointer是指向已分配內存的指針
  • Type是要構造的對象
  • constructor_arguments是構造函數的參數

placement new的工作原理是，不調用operator new來分配內存，而是在給定的內存地址上直接調用構造函數，最后返回傳入的指針（將指針類型轉換為目標類型）。placement new由C++標準庫提供默認實現，不可重載：

// 標準庫中的 placement new 聲明（不可重載）
void* operator new(size_t, void* ptr) noexcept {return ptr;  // 直接返回傳入的指針
}

乍一看，這個placement new的實現什么都沒干，是如何完成對象的構造呢？其實是依靠語法來進行創建的：

new (pointer) Type(constructor_arguments);

這里仍然調用了Type(constructor_arguments)，即調用了對象的構造函數，在pointer指定的內存上進行構造，舉個例子：

#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() {// 手動分配一塊內存void* buffer = operator new(sizeof(Example));// 使用placement new在這塊內存上構造對象Example* obj = new (buffer) Example(42);// 顯式調用析構函數（這很重要！）obj->~Example();// 釋放內存operator delete(buffer);return 0;
}

輸出為：

Constructed at 0x7fec4c400030 with value 42
Destructed at 0x7fec4c400030

operator new是C++的內存分配原語，默認調用malloc進行內存分配，返回void*，指向未初始化的原始內存，可以重載operator new以自定義其內存分配行為：

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

使用opeartor new和placement new的典型場景如下：

// 僅分配內存，不構造對象
void* raw_mem = operator new(sizeof(MyClass));// 需要手動構造對象（例如通過 placement new）
MyClass* obj = new (raw_mem) MyClass();  // 調用構造函數// 必須手動析構和釋放
obj->~MyClass();
operator delete(raw_mem);

核心區別：

特性operator newplacement new
作用僅分配原始內存（不構造對象）在已分配的內存上構造對象
是否調用構造函數否是
內存來源通常來自于堆（可通過重載自定義）由程序員預先提供
語法void* p = operator new(size)new (ptr) Type(args...)
是否可重載可重載全局或類特定的operator new不能重載，已經有固定實現

1.2一個custom allocator的實現

一個自定義的allocator需要實現以下的方法：

方法描述等效操作
allocate(n)分配n* sizeof(T)字節operator new
deallocate(p, n)釋放從p開始的n個元素operator delete
construct(p, args)在p構造對象（C++17已棄用）new(p) T(args...)
destroy(p)析構p處對象（C++17已棄用）p->~T()

注釋：C++17 后推薦通過 std::allocator_traits 訪問接口，以支持自定義分配器的可選方法。

按照C++11的標準實現一個allocator：

#include <iostream>
#include <vector>
template<typename T>
class TrackingAllocator {
public:using value_type = T;TrackingAllocator() = default;// 支持 Rebinding（重新綁定)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";}// 支持同類型分配器比較（無狀態）bool operator==(const TrackingAllocator&) { return true; }bool operator!=(const TrackingAllocator&) { return false; }
};// 使用示例
int main() {// 使用自定義分配器std::vector<int, TrackingAllocator<int>> vec;vec.push_back(42);  // 輸出分配信息vec.push_back(13);  // 輸出分配信息// 清空向量vec.clear();  // 輸出釋放信息return 0;
}

輸出：

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

1.3使用std::allocator_traits實現allocator

在 C++17 及之后版本中，推薦通過 std::allocator_traits 訪問分配器接口，而非直接調用分配器的方法。這是因為 allocator_traits 提供了一種統一且安全的方式來與分配器交互，即使自定義分配器沒有實現某些可選方法，也能通過默認實現正常工作。

  • 兼容性：即使自定義分配器未實現某些方法（如 construct/destroy），allocator_traits 會提供默認實現。
  • 靈活性：允許分配器僅實現必要的接口，其余由 allocator_traits 補充。
  • 標準化：所有標準庫容器（如 std::vector、std::list）內部都使用 allocator_traits 而非直接調用分配器。

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

關鍵接口對比（使用C++11標準 vs. C++17標準）

操作C++11，直接調用分配器allocC++17，通過allocator_traits(std::allocator_traits<Alloc>)
分配內存alloc.allocate(n)allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc, n)
釋放內存alloc.deallocate(p, n)allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc, p, n)
構造對象alloc.construct(p, args)allocator_traits<Alloc>::construct(alloc, p, args...)
析構對象alloc.destroy(p)allocator_traits<Alloc>::destroy(alloc, p)
獲取最大大小alloc.max_size()allocator_traits<Alloc>::max_size(alloc)
重新綁定分配器類型alloc.rebind<U>::otherallocator_traits<Alloc>::rebind_alloc<U>

注釋：C++17 后 construct 和 destroy 被廢棄，推薦直接使用 std::allocator_traits 或 placement new/顯式析構。

舉個極簡分配器的例子：

#include <iostream>
#include <memory>  // std::allocator_traitstemplate <typename T>
struct SimpleAllocator {using value_type = T;// 必須提供 allocate 和 deallocateT* 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 提供默認實現
};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. 分配內存（通過 allocator_traits）auto p = std::allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc, 1);// 2. 構造對象（即使 SimpleAllocator 沒有 construct 方法！）std::allocator_traits<Alloc>::construct(alloc, p, 42);  // 調用 Widget(42)// 3. 析構對象（即使 SimpleAllocator 沒有 destroy 方法！）std::allocator_traits<Alloc>::destroy(alloc, p);// 4. 釋放內存std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc, p, 1);return 0;
}

輸出：

Construct Widget 42
Destroy Widget 42

一個更復雜的自定義分配器示例（帶狀態）

#include <iostream>
#include <memory>  // std::allocator_traitstemplate <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);}// 支持比較（相同類型的 TrackingAllocator 才等價）bool operator==(const TrackingAllocator& other) const {return false;  // 有狀態，不同實例不能混用}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);// 必須用相同的 allocator 實例釋放！std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc1, p1, 2);std::allocator_traits<Alloc>::deallocate(alloc2, p2, 3);return 0;
}

輸出：

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

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