在具有预分配块的自定义STL分配器中重新绑定

Question

我将构建一个自定义分配器，预先分配一个大块（数组）用于存储某个类T的N个元素，然后只需增加数组内的索引以处理分配请求。

由于我不希望对预分配块中的元素进行任何初始化，因此以下内容不可行：

T buffer[N];

因为在这种情况下，T的构造函数将被调用N个块元素。

由于我理解std::aligned_storage不会调用T的构造函数，所以我考虑使用std::aligned_storage，类似于以下方式：

std::aligned_storage<
    N * sizeof(T),
    std::alignment_of<T>::value 
>::type buffer;

T* base = static_cast<T*>( static_cast<void*>(&buffer) );

然后，当请求分配T时（直到（base + N）），分配器只需增加基指针，并在需要时使用就地放置 new 构造T。

我想使用此方案为STL容器定义自定义分配器。但是，对于重新绑定，我认为这里可能会有问题。事实上，如果我理解正确，STL分配器应支持从类型T重新绑定到类型U。例如，因为像std::list<T>（或其他基于节点的容器，如std::map）这样的容器使用分配器来分配实际上不是类型T而是不同类型U的节点（包含T和其他“头”开销信息的节点）。

那么，前面提到的std::aligned_storage方法是否适用于重新绑定？或者（正如我所想的那样），T的正确对齐并不意味着另一种不同类型U的正确对齐？

如何解决这个问题？

如何定义前面提到的buffer，使其也适用于重新绑定到某些不同类型的U？

这个问题应该从不同的角度解决吗？如果是，那是什么？

- Mr.C64

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你能否只使用std::alignment_of<std::max_align_t>::value，以使其适合 C++ 标准分配器支持的任何类型，并正确对齐吗？当然，这对于具有特殊（更严格）对齐要求的类型不起作用（最好的例子是 SSE），但那些类型最终始终是问题，即使对于标准分配器也是如此。 - Christian Rau

Answer 1

你正在朝着正确的方向前进。

一个令人烦恼的细节是，分配器的副本必须相等，即使转换（重新绑定）副本也一样。 相等意味着它们可以释放彼此的指针。 因此，像std::list<int>这样的容器将重新绑定your_alloc<int>到your_alloc<node<int>>，然后使用your_alloc<int>构造your_alloc<node<int>>。并且在技术上，您的your_alloc<node<int>>必须释放由your_alloc<int>分配的指针。

这里是我的尝试，以满足此要求。随意复制/修改/滥用此代码。 我的意图是教育，而不是成为世界分配器供应商（这实际上也不会很有利可图:-））。

这个例子采取了一个稍微不同的对齐方式：我碰巧知道，在我关注的平台（OS X、iOS）上malloc返回16字节对齐的内存，所以我的自定义分配器只需要返回这个。 您可以将该数字更改为适合您系统的任何值。

这种硬编码对齐意味着单个池可以安全地提供多个allocator<int>和allocator<node<int>>，因为它们都是16字节对齐的（而且这足够了）。 它还意味着副本，甚至转换后的副本，可以检测指针是否指向缓冲区，因为所有副本共享同一个缓冲区。

稍微不同地说，C++委员会实际上已经指定分配器是引用类型：副本是等效的，并指向相同的内存池。

你可以通过欺骗来占用实际嵌入到分配器中的内存池，但只有在某些实现上的某些容器上才能这样做，并且您无法引用标准来支持它。

- Howard Hinnant

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非常感谢您的建议和分享您的示例分配器代码。 - Mr.C64

所以，如果你想要从 stack_allocator 获得 64 字节对齐（例如为了缓存对齐），那么你是否也需要重新定义全局的 ::operator new 来提供相同的 64 字节对齐呢？ - TemplateRex

@rhalbersma，你可以这样做，或者你可以从::operator new请求额外的64-alignof(std::max_align_t)，然后只在64字节边界上开始使用它（但你需要以某种方式将原始未对齐指针传回::operator delete）。 - Jonathan Wakely

我知道在我的感兴趣的平台（OS X，iOS）上，malloc返回16字节对齐的内存，因此我的自定义分配器只需要返回这个。实际上，通过使用alingof(std::max_align_t)，这应该很容易做到跨平台（即使这在理论上可能性较小，而且16可能总是一个很好的值）。 - Christian Rau

@JonathanWakely 那么唯一的选择就是进行簿记并存储指针（即，对齐指针a实际上是::new指针b，可以被::delete删除）？显然，如果我们不必重新绑定分配器以支持各种大小的不同对象的存储，则这不会成为问题。 - Red XIII