C++怎么实现一个自定义的STL容器分配器_C++内存管理与自定义分配器实现-C++-PHP中文网

C++怎么实现一个自定义的STL容器分配器_C++内存管理与自定义分配器实现

裘德小鎮的故事

发布： 2025-11-14 14:37:04

原创

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自定义STL容器分配器可控制内存分配行为，通过实现allocate和deallocate等接口替换默认std::allocator，用于优化性能或集成内存池；需满足类型定义、内存申请释放及相等性比较等要求，如MemoryPoolAllocator通过空闲链表管理固定大小内存块，提升频繁小对象分配效率，但分配器仅负责原始内存管理，不涉及对象构造与析构。

c++怎么实现一个自定义的stl容器分配器_c++内存管理与自定义分配器实现

在C++中，自定义STL容器分配器是一种控制内存分配行为的有效方式。标准模板库（STL）中的容器如 std::vector、std::list 等都允许通过模板参数传入自定义的分配器，从而替换默认的 std::allocator。实现自定义分配器可以优化性能、追踪内存使用或集成特定内存池机制。

自定义分配器的基本要求

要让一个类成为合法的STL分配器，它必须满足一定的接口规范。虽然C++17之后对分配器的要求有所简化，但核心要素仍然包括：

value_type：被分配对象的类型
pointer：指向 value_type 的指针类型
const_pointer：常量指针类型
reference：引用类型
const_reference：常量引用类型
size_type：大小类型（通常是 std::size_t）
difference_type：指针差值类型
allocate(size_type n)：分配未初始化的内存块
deallocate(pointer p, size_type n)：释放已分配的内存
支持两个分配器之间的相等性比较（operator== 和 operator!=）

以下是一个最简形式的自定义分配器框架：

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template <typename T>
struct MyAllocator {
    using value_type = T;
    using pointer = T*;
    using const_pointer = const T*;
    using reference = T&;
    using const_reference = const T&;
    using size_type = std::size_t;
    using difference_type = std::ptrdiff_t;
<pre class='brush:php;toolbar:false;'>// C++17 起推荐添加
using is_always_equal = std::false_type;

template <typename U>
struct rebind {
    using other = MyAllocator<U>;
};

MyAllocator() = default;

template <typename U>
MyAllocator(const MyAllocator<U>&) {}

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

void deallocate(pointer p, size_type n) {
    ::operator delete(p);
}

bool operator==(const MyAllocator&) const { return true; }
bool operator!=(const MyAllocator&) const { return false; }

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};

使用自定义分配器实例化STL容器

定义好分配器后，可以在声明容器时作为模板参数传入：

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std::vector<int, MyAllocator<int>> vec;
vec.push_back(10);
vec.push_back(20);

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此时，vector 在增长时会调用 MyAllocator::allocate 来获取内存，并在释放时调用 deallocate。注意：构造对象仍由容器通过 placement new 完成，析构也由容器管理，分配器只负责原始内存的申请与释放。

实现内存池式分配器（进阶示例）

实际应用中，常通过自定义分配器实现内存池以提升性能。下面是一个简化版固定大小内存池分配器的思路：

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template <typename T, size_t BlockSize = 4096>
class MemoryPoolAllocator {
private:
    struct alignas(T) Block {
        char data[sizeof(T)];
    };
<pre class='brush:php;toolbar:false;'>union Node {
    Block storage;
    Node* next;
};

Node* free_list = nullptr;
std::vector<Node*> blocks;  // 保存所有大块内存

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public: using value_type = T; using pointer = T; using const_pointer = const T; using size_type = std::size_t; using is_always_equal = std::false_type;

template <typename U>
struct rebind {
    using other = MemoryPoolAllocator<U, BlockSize>;
};

MemoryPoolAllocator() = default;

template <typename U>
MemoryPoolAllocator(const MemoryPoolAllocator<U, BlockSize>&) {}

pointer allocate(size_type n) {
    if (n != 1) throw std::bad_alloc();

    if (!free_list) {
        expand_pool();
    }

    Node* node = free_list;
    free_list = free_list->next;
    return reinterpret_cast<pointer>(node);
}

void deallocate(pointer p, size_type n) {
    if (n != 1) return;
    Node* node = reinterpret_cast<Node*>(p);
    node->next = free_list;
    free_list = node;
}

bool operator==(const MemoryPoolAllocator&) const { return true; }
bool operator!=(const MemoryPoolAllocator&) const { return false; }

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private: void expand_pool() { Node* block = new Node[BlockSize]; blocks.push_back(block);

    for (size_t i = 0; i < BlockSize - 1; ++i) {
        block[i].next = &block[i + 1];
    }
    block[BlockSize - 1].next = nullptr;

    free_list = block;
}

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public: ~MemoryPoolAllocator() { for (auto b : blocks) { delete[] b; } } };

这个分配器预先分配一大块内存，维护空闲链表，适用于频繁创建销毁小对象的场景，避免频繁调用系统 malloc/free。