C++17中std::pmr::memory_resource和std::polymorphic_allocator详解

在现代C++编程中，高效且灵活的内存管理一直是开发者追求的重要目标之一。在C++17标准中，引入了std::pmr::memory_resource和std::polymorphic_allocator这两个强大的组件，它们为内存分配提供了高度的灵活性和可扩展性，使得开发者能够根据不同的应用场景和需求，更加精细地控制内存的分配和释放过程。以下是对这两个组件的详细解析。

一、std::pmr::memory_resource

（一）基本概念

std::pmr::memory_resource是一个抽象基类，它定义了一套标准的内存分配接口。这个接口为用户提供了一种统一的方式来处理不同的内存分配策略，允许用户根据具体需求自定义内存分配行为，例如线程局部内存分配、内存池分配等。通过使用这个抽象基类，不同的内存分配器可以被统一管理和使用，提高了代码的可维护性和可扩展性。

（二）主要成员函数

1. allocate(std::size_t bytes)

• 功能：该函数的主要作用是分配指定字节数的内存。在实际应用中，它会根据具体的内存分配策略来寻找合适的内存块，并将其分配给调用者。
• 参数：bytes参数表示需要分配的字节数。这个参数是调用者根据自身需求传入的，它决定了需要分配的内存大小。
• 返回值：函数返回分配的内存的指针。调用者可以使用这个指针来访问和操作分配的内存。

2. deallocate(void* ptr, std::size_t bytes)

• 功能：此函数用于释放指定指针指向的内存。当调用者不再需要使用之前分配的内存时，就可以调用这个函数来释放该内存，以便后续可以被其他程序使用。
• 参数：ptr是需要释放的内存的指针，它指向之前通过allocate函数分配的内存块的起始位置。bytes是该内存块的大小，用于帮助内存分配器正确地释放内存。
• 注意事项：在调用deallocate函数时，需要确保传入的指针和大小与之前allocate函数返回的指针和分配的大小一致，否则可能会导致内存泄漏或其他未定义行为。

3. is_equal(const memory_resource& other) const noexcept

• 功能：该函数用于判断当前内存资源是否与另一个内存资源相等。这里的相等通常表示两个内存资源可以互相替代使用，即它们的内存分配和释放行为是兼容的。
• 参数：other是另一个内存资源对象，用于与当前内存资源进行比较。
• 返回值：如果两个内存资源相等，则返回true，否则返回false。这个函数在某些情况下非常有用，例如在需要判断两个不同的容器是否使用相同的内存资源时。

（三）使用场景

1. 内存分配的灵活性

在不同的应用场景中，可能需要不同的内存分配策略。例如，在多线程环境中，为了避免线程间的竞争和提高性能，可以使用线程局部内存分配策略。std::pmr::memory_resource允许用户根据这些不同的需求自定义内存分配策略，从而提高程序的性能和效率。

2. 资源管理的统一性

在大型项目中，可能会使用多种不同的内存分配器，这可能会导致不同分配器之间的冲突和管理困难。通过std::pmr::memory_resource提供的统一接口，可以将这些不同的分配器统一管理，避免冲突的发生，提高代码的可维护性。

二、std::polymorphic_allocator

（一）基本概念

std::polymorphic_allocator是一个多态分配器，它允许用户指定不同的std::pmr::memory_resource对象来分配内存。它是一个模板类，其模板参数T表示分配器分配的元素类型。这意味着std::polymorphic_allocator可以根据需要分配不同类型的元素，并且可以使用不同的内存资源来完成分配操作。

（二）主要成员函数

1. allocate(std::size_t n)

• 功能：该函数用于分配n个元素的内存。它会调用关联的std::pmr::memory_resource对象的allocate函数来实际分配内存。
• 参数：n表示需要分配的元素数量。这个参数决定了需要分配的内存大小，它会根据元素类型T的大小进行计算。
• 返回值：返回分配的内存的指针，指向分配的第一个元素的位置。

2. deallocate(T* ptr, std::size_t n)

• 功能：此函数用于释放指定指针指向的内存。它会调用关联的std::pmr::memory_resource对象的deallocate函数来实际释放内存。
• 参数：ptr是需要释放的内存的指针，指向之前通过allocate函数分配的内存块的起始位置。n是该内存块中元素的数量，用于帮助内存资源正确地释放内存。

3. resource()

• 功能：该函数用于获取当前分配器使用的std::pmr::memory_resource对象。通过这个函数，用户可以了解当前分配器所使用的内存资源，并且可以在需要时进行切换或管理。
• 返回值：返回当前分配器使用的内存资源对象的指针。

（三）使用示例

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

int main() {
    // 创建一个默认的内存资源
    std::pmr::memory_resource* default_resource = std::pmr::get_default_resource();

    // 创建一个使用默认资源的多态分配器
    std::pmr::polymorphic_allocator<int> alloc(default_resource);

    // 使用多态分配器分配内存
    std::pmr::vector<int, std::pmr::polymorphic_allocator<int>> vec(alloc);

    // 添加元素
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    // 输出元素
    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，首先通过std::pmr::get_default_resource()函数获取了一个默认的内存资源。然后创建了一个使用该默认资源的多态分配器alloc。接着使用这个分配器创建了一个std::pmr::vector容器vec，并向其中添加了一些元素。最后，遍历容器并输出其中的元素。

（四）自定义内存资源

用户还可以自定义std::pmr::memory_resource的派生类，以实现特定的内存分配策略。例如，可以实现一个线程局部的内存池分配器，或者一个基于文件映射的内存分配器。

自定义内存资源示例

#include <memory_resource>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

class ThreadLocalMemoryResource : public std::pmr::memory_resource {
private:
    std::mutex mutex_;
    std::vector<char> buffer_;

public:
    void* do_allocate(std::size_t bytes, const std::size_t) override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        buffer_.resize(buffer_.size() + bytes);
        return buffer_.data() + buffer_.size() - bytes;
    }

    void do_deallocate(void* ptr, std::size_t bytes, const std::size_t) override {
        // 线程局部内存资源不需要释放
    }

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

int main() {
    // 创建自定义内存资源
    ThreadLocalMemoryResource custom_resource;

    // 创建一个使用自定义资源的多态分配器
    std::pmr::polymorphic_allocator<int> alloc(&custom_resource);

    // 使用多态分配器分配内存
    std::pmr::vector<int, std::pmr::polymorphic_allocator<int>> vec(alloc);

    // 添加元素
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    // 输出元素
    for (int i : vec) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

在这个示例中，定义了一个名为ThreadLocalMemoryResource的自定义内存资源类，它继承自std::pmr::memory_resource。在do_allocate函数中，使用一个std::vector作为内存缓冲区，每次分配内存时，将缓冲区的大小增加所需的字节数，并返回新分配内存的指针。在do_deallocate函数中，由于是线程局部内存资源，不需要释放内存，因此不做任何操作。在do_is_equal函数中，通过比较对象的地址来判断两个内存资源是否相等。

在main函数中，创建了一个ThreadLocalMemoryResource对象custom_resource，并使用它创建了一个多态分配器alloc。然后使用这个分配器创建了一个std::pmr::vector容器vec，并向其中添加了一些元素。最后，遍历容器并输出其中的元素。

三、总结

std::pmr::memory_resource和std::polymorphic_allocator是C++17中引入的重要内存管理工具，它们为内存分配提供了更高的灵活性和统一性。通过自定义内存资源，用户可以根据具体需求实现高效的内存管理策略，例如在多线程环境中使用线程局部内存分配来提高性能，或者使用内存池分配来减少内存碎片。这些工具的引入使得C++在内存管理方面更加强大和灵活，能够更好地满足不同应用场景的需求。同时，它们也提高了代码的可维护性和可扩展性，使得开发者能够更加轻松地管理和优化内存使用。

在实际应用中，开发者可以根据项目的具体需求和性能要求，选择合适的内存资源和分配器，并结合自定义内存资源的方式，实现更加高效和灵活的内存管理。例如，在对性能要求极高的场景中，可以使用自定义的内存池分配器来减少内存分配和释放的开销；在多线程环境中，可以使用线程局部内存资源来避免线程间的竞争。总之，std::pmr::memory_resource和std::polymorphic_allocator为C++开发者提供了强大的内存管理能力，值得在实际项目中深入应用和探索。