为什么在C++23中要使用allocate_at_least()？

Question

根据cppref：

std::allocator<T>::allocate_at_least

通过调用::operator new（还可以提供一个额外的std::align_val_t参数），分配至少n个未初始化的存储空间，每个存储空间的大小为count * sizeof(T)字节，其中count是一个未指定的整数值，但不小于n。

然后，该函数在该存储空间中创建T[count]类型的数组，并开始其生命周期，但不会开始任何元素的生命周期。

然而，我认为已经存在的std::allocator<T>::allocate可以完成同样的任务。 为什么我们需要C++23中的std::allocator<T>::allocate_at_least？

- xmllmx

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我不确定，但我认为这是为了提高内存分配和释放的效率。因为现在内存不需要完全等于请求的大小，它可以成为主内存页面大小的倍数（我猜？）。所以在这些特定大小中分配或释放内存将更容易。 - Afshin

至少这个返回实际大小。虽然我不确定它存在的主要原因是什么。 - chris

Answer 1

allocate 函数可能会分配比请求更多的元素，但它无法向调用者返回实际分配的大小。

allocate_at_least 的目的就是为了解决这个问题。它的实现可能与allocate相同，并且可能只分配完全相同数量的元素，不同之处在于它能够将分配给调用者的元素数返回给调用者，这意味着调用者可以使用那些额外的元素。

- Alan Birtles

Answer 2

allocate_at_least与allocate不是完全相同的功能。对比(allocate)：分配n * sizeof(T)字节的未初始化存储空间...，与(allocate_at_least)：分配至少n个未指定整数值的count * sizeof(T)字节的未初始化存储空间... 此外，allocate返回：指向类型T数组的前n个对象的第一个元素的指针... 而allocate_at_least返回：std::allocation_result<T*>{p, count}，其中p指向数组中count个类型为T的对象的第一个元素... 因此，调用者可以获得有关实际分配大小的信息。其动机可以在P0401R6; Section Motivation中找到。

Consider code adding elements to vector:

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
// Expected: v.capacity() == 3

// Add an additional element, triggering a reallocation.
v.push_back(4);

Many allocators only allocate in fixed-sized chunks of memory, rounding up requests. Our underlying heap allocator received a request for 12 bytes (3 * sizeof(int)) while constructing v. For several implementations, this request is turned into a 16 byte region.

- Daniel Langr

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“allocate” 从 ::operator new 获取其存储空间，该操作允许进行超额分配。鉴于此，答案并未真正解释实际差异。 - chris

@chris 好的，你说得对，我已经相应地更新了答案。 - Daniel Langr

Answer 3

这来自于cppref的笔记：

allocate_at_least主要提供给连续的容器，例如std::vector和std::basic_string，以便在可能时匹配其实际分配大小从而减少重分配。

“未指定何时和如何”的措辞使得可以组合或优化标准库容器所做的堆分配，即使这种优化不允许对::operator new的直接调用。例如，libc++就是这样实现的。

在调用allocate_at_least之后，在元素构造之前，T*的指针算术在已分配的数组内是定义良好的，但如果访问元素，则行为是未定义的。

- Afshin

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你的第二个强调部分并不是只适用于 allocate_at_least。例如，相同的注释也适用于 allocate。你也可以将 int main() { int* p = new int[5]; delete[] p; } 放入 Clang 中，它应该也会省略它。 - chris

Answer 4

使用现代内存分配器（如mimalloc、jemalloc或TCMalloc），分配的内存大小是以2的幂次分配的，直到达到固定限制。超过该限制的大小将以页面的倍数进行分配。在这两种情况下，实际分配的内存可能会更大。allocation_result返回实际分配的内存大小，以便使用C++23分配器的容器的容量可能会比预期的更大，并且在此之后可能会减少重新分配的次数。

- Edison von Myosotis