C++ `std::pmr::polymorphic_allocator`：C++17 多态内存资源管理

好的，各位观众老爷，欢迎来到“C++内存那点事儿”特别节目。今天咱们要聊的是C++17引入的一个重量级选手——std::pmr::polymorphic_allocator，也就是传说中的多态内存分配器。

第一幕：内存，你的地盘我做主！

在C++的世界里，内存管理一直是个让人头疼的问题。传统的new和delete就像一对相爱相杀的冤家，用得不好，轻则内存泄漏，重则程序崩溃。更可气的是，它们的行为是全局性的，你想针对某个特定场景搞点特殊化，基本上没戏。

这时候，分配器（Allocator）就站出来了。分配器允许你自定义内存分配策略，比如你可以创建一个只从特定内存池分配的分配器，或者创建一个带有内存泄漏检测功能的分配器。听起来是不是很酷？

但是，传统的分配器也有个问题：它是模板参数。这意味着，如果你想让不同的容器使用不同的分配器，你需要定义不同的容器类型。这就像你想吃不同口味的冰淇淋，却需要买不同的冰箱一样，简直是噩梦。

std::pmr::polymorphic_allocator就是为了解决这个问题而生的。它允许你在运行时选择分配器，而不需要改变容器的类型。这就像你只需要一个冰淇淋机，就可以生产各种口味的冰淇淋一样，简直是福音。

第二幕：std::pmr::polymorphic_allocator闪亮登场

std::pmr::polymorphic_allocator是一个模板类，但它并不直接使用模板参数来指定分配策略，而是通过一个叫做memory_resource的基类指针来实现多态。

memory_resource是一个抽象基类，定义了内存分配和释放的接口。你可以通过继承memory_resource来创建自己的内存资源。

下面是一个简单的memory_resource的例子：

#include <iostream>
#include <memory_resource>

class MyMemoryResource : public std::pmr::memory_resource {
public:
    MyMemoryResource(size_t size) : buffer_(new char[size]), size_(size), offset_(0) {}
    ~MyMemoryResource() override { delete[] buffer_; }

protected:
    void* do_allocate(size_t bytes, size_t alignment) override {
        if (offset_ + bytes > size_) {
            return nullptr; // Or throw an exception
        }

        // Simple alignment (not perfect, but demonstrates the concept)
        size_t alignment_offset = (alignment - (reinterpret_cast<uintptr_t>(buffer_ + offset_) % alignment)) % alignment;

        if (offset_ + bytes + alignment_offset > size_)
            return nullptr;

        offset_ += alignment_offset;

        void* ptr = buffer_ + offset_;
        offset_ += bytes;
        return ptr;
    }

    void do_deallocate(void* p, size_t bytes, size_t alignment) override {
        // In a real implementation, you'd need to track allocations
        // to ensure you're deallocating the correct block.
        // This is a simplified example.
    }

    bool do_is_equal(const std::pmr::memory_resource& other) const noexcept override {
        // Compare memory resources. For this example, we compare addresses.
        return this == &other;
    }

private:
    char* buffer_;
    size_t size_;
    size_t offset_;
};

int main() {
    MyMemoryResource mr(1024);
    std::pmr::polymorphic_allocator<int> alloc(&mr);

    // Allocate an integer using our memory resource
    int* ptr = alloc.allocate(1);
    *ptr = 42;
    std::cout << "Value: " << *ptr << std::endl;

    alloc.deallocate(ptr, 1);

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个名为MyMemoryResource的类，它继承自std::pmr::memory_resource。MyMemoryResource使用一个固定大小的缓冲区来分配内存。do_allocate方法负责分配内存，do_deallocate方法负责释放内存，do_is_equal方法负责比较两个内存资源是否相等。

然后，我们创建了一个std::pmr::polymorphic_allocator<int>对象，并将MyMemoryResource的指针传递给它。这样，当我们使用alloc来分配内存时，实际上是调用了MyMemoryResource的do_allocate方法。

第三幕：std::pmr::polymorphic_allocator的优势

std::pmr::polymorphic_allocator相比于传统的分配器，有以下几个明显的优势：

• 运行时多态： 可以在运行时选择分配器，而不需要改变容器的类型。
• 简化代码： 避免了大量的模板代码，使代码更加简洁易懂。
• 更好的性能： 可以针对特定场景选择最优的分配器，从而提高性能。
• 更容易测试： 可以方便地替换分配器，从而进行内存泄漏检测和性能测试。

第四幕：std::pmr::polymorphic_allocator的使用场景

std::pmr::polymorphic_allocator适用于以下场景：

• 需要动态选择分配器的场景： 例如，你可能需要根据不同的配置选择不同的分配器。
• 需要管理大量小对象的场景： 例如，游戏引擎中的粒子系统。
• 需要进行内存泄漏检测的场景： 可以创建一个带有内存泄漏检测功能的分配器，并在测试环境中使用它。
• 需要进行性能优化的场景： 可以针对特定场景选择最优的分配器，从而提高性能。

第五幕：代码示例，Show Time！

说了这么多，不如来点实际的。下面我们来看几个使用std::pmr::polymorphic_allocator的例子。

例子1：使用std::pmr::vector和std::pmr::string

std::pmr命名空间下提供了一些容器的别名，它们默认使用std::pmr::polymorphic_allocator。例如，std::pmr::vector和std::pmr::string。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <memory_resource>

int main() {
    // Create a memory resource
    std::pmr::monotonic_buffer_resource mr(1024);

    // Create a pmr::vector using the memory resource
    std::pmr::vector<int> vec(&mr);
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    // Print the vector
    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // Create a pmr::string using the same memory resource
    std::pmr::string str("Hello, world!", &mr);
    std::cout << str << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个std::pmr::monotonic_buffer_resource对象，它是一个简单的内存资源，使用一个单调增长的缓冲区来分配内存。然后，我们创建了一个std::pmr::vector<int>和一个std::pmr::string对象，并将monotonic_buffer_resource的指针传递给它们。这样，vector和string对象就会使用monotonic_buffer_resource来分配内存。

例子2：自定义分配策略

#include <iostream>
#include <memory_resource>
#include <vector>

class CountingMemoryResource : public std::pmr::memory_resource {
public:
    CountingMemoryResource(std::pmr::memory_resource* upstream) : upstream_(upstream), allocate_count_(0), deallocate_count_(0) {}

    ~CountingMemoryResource() override {}

    size_t allocate_count() const { return allocate_count_; }
    size_t deallocate_count() const { return deallocate_count_; }

protected:
    void* do_allocate(size_t bytes, size_t alignment) override {
        allocate_count_++;
        return upstream_->allocate(bytes, alignment);
    }

    void do_deallocate(void* p, size_t bytes, size_t alignment) override {
        deallocate_count_++;
        upstream_->deallocate(p, bytes, alignment);
    }

    bool do_is_equal(const std::pmr::memory_resource& other) const noexcept override {
        return upstream_ == &other;
    }

private:
    std::pmr::memory_resource* upstream_;
    size_t allocate_count_;
    size_t deallocate_count_;
};

int main() {
    std::pmr::new_delete_resource default_mr;
    CountingMemoryResource counting_mr(&default_mr);

    std::pmr::vector<int> vec(&counting_mr);
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        vec.push_back(i);
    }

    std::cout << "Allocate count: " << counting_mr.allocate_count() << std::endl;
    std::cout << "Deallocate count: " << counting_mr.deallocate_count() << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个名为CountingMemoryResource的类，它继承自std::pmr::memory_resource。CountingMemoryResource使用另一个内存资源作为上游，并记录了内存分配和释放的次数。

然后，我们创建了一个std::pmr::vector<int>对象，并将CountingMemoryResource的指针传递给它。当我们向vector中添加元素时，CountingMemoryResource会记录内存分配和释放的次数。

例子3：使用std::pmr::synchronized_pool_resource

std::pmr::synchronized_pool_resource是一个线程安全的内存池，可以用于管理大量小对象。

#include <iostream>
#include <memory_resource>
#include <vector>
#include <thread>

void allocate_from_pool(std::pmr::memory_resource* pool, int thread_id) {
    std::pmr::vector<int> vec(pool);
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        vec.push_back(i + thread_id * 1000);
    }
    std::cout << "Thread " << thread_id << " finished." << std::endl;
}

int main() {
    std::pmr::synchronized_pool_resource pool;

    std::thread t1(allocate_from_pool, &pool, 1);
    std::thread t2(allocate_from_pool, &pool, 2);
    std::thread t3(allocate_from_pool, &pool, 3);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    std::cout << "All threads finished." << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了一个std::pmr::synchronized_pool_resource对象。然后，我们创建了三个线程，每个线程都使用synchronized_pool_resource来分配内存。由于synchronized_pool_resource是线程安全的，因此可以保证多个线程同时访问内存池不会出现问题。

第六幕：memory_resource的家族成员

std::pmr库提供了一些预定义的memory_resource实现，可以直接使用：

类名	描述
std::pmr::new_delete_resource	使用new和delete进行内存分配和释放。这是默认的内存资源。
std::pmr::null_memory_resource	不分配任何内存。如果尝试分配内存，会返回nullptr。
std::pmr::monotonic_buffer_resource	使用一个单调增长的缓冲区来分配内存。一旦分配，就不能释放。适用于只需要分配，不需要释放的场景。
std::pmr::pool_resource	使用一个内存池来管理小对象。
std::pmr::synchronized_pool_resource	线程安全的内存池。

第七幕：注意事项

• std::pmr::polymorphic_allocator并不能解决所有的内存管理问题。它只是提供了一种更加灵活的内存分配方式。
• 在使用std::pmr::polymorphic_allocator时，需要仔细选择合适的内存资源。不同的内存资源适用于不同的场景。
• 需要注意内存资源的生命周期。如果内存资源被销毁，那么使用该内存资源分配的内存也会失效。
• std::pmr::polymorphic_allocator会带来一些性能开销。在对性能要求非常高的场景下，需要进行仔细的评估。

第八幕：总结

std::pmr::polymorphic_allocator是C++17引入的一个强大的内存管理工具。它允许你在运行时选择分配器，而不需要改变容器的类型。这使得代码更加简洁易懂，并且可以针对特定场景选择最优的分配器，从而提高性能。

虽然std::pmr::polymorphic_allocator并不能解决所有的内存管理问题，但它为我们提供了一种更加灵活和强大的内存管理方式。掌握std::pmr::polymorphic_allocator，可以帮助我们编写更加健壮和高效的C++代码。

好了，今天的节目就到这里。感谢各位观众老爷的收看，我们下期再见！