面试题：C++ 标准库中 allocator 的深度定制

Question

详细说明 C++ 标准库中 allocator 的工作原理。请设计并实现一个自定义的 allocator，该 allocator 能够在分配内存时记录每次分配的大小，并在释放内存时统计总的释放内存量。在一个使用自定义 allocator 的 std::vector 中进行多次元素插入和删除操作，并展示如何获取这些统计信息。

Answer 1

C++ 标准库中 allocator 的工作原理

1. 内存分配与释放：allocator 是 C++ 标准库中负责内存分配和释放的组件。它为容器（如 std::vector、std::list 等）提供了一种抽象的内存管理方式。容器通过 allocator 来申请和释放元素所需要的内存空间。
2. 类型感知：allocator 是类型相关的，它知道要分配的对象的类型，因此可以正确地计算所需的内存大小，并进行类型安全的操作。例如，allocator<T> 知道 T 的大小和对齐要求。
3. 构造与析构：除了分配和释放内存，allocator 还负责对象的构造和析构。construct 函数用于在已分配的内存上构造对象，destroy 函数用于析构对象。

自定义 allocator 的设计与实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

class MyAllocator {
private:
    size_t totalAllocatedSize = 0;
    size_t totalFreedSize = 0;

public:
    template <typename T>
    struct rebind {
        using other = MyAllocator;
    };

    MyAllocator() = default;

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

    ~MyAllocator() = default;

    T* allocate(size_t n) {
        totalAllocatedSize += n * sizeof(T);
        return static_cast<T*>(operator new(n * sizeof(T)));
    }

    void deallocate(T* p, size_t n) {
        totalFreedSize += n * sizeof(T);
        operator delete(p);
    }

    size_t getAllocatedSize() const {
        return totalAllocatedSize;
    }

    size_t getFreedSize() const {
        return totalFreedSize;
    }
};

在 std::vector 中使用自定义 allocator 并展示统计信息

int main() {
    using MyVector = std::vector<int, MyAllocator<int>>;
    MyVector vec;

    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    MyAllocator<int> alloc = vec.get_allocator();
    std::cout << "Total Allocated Size: " << alloc.getAllocatedSize() << " bytes" << std::endl;

    vec.pop_back();
    vec.pop_back();

    std::cout << "Total Freed Size: " << alloc.getFreedSize() << " bytes" << std::endl;

    return 0;
}

代码解释

1. 自定义 allocator：
   • MyAllocator 类包含两个成员变量 totalAllocatedSize 和 totalFreedSize 用于记录分配和释放的内存总量。
   • rebind 模板结构体是标准库要求的，用于在容器需要分配不同类型对象时进行适配。
   • allocate 函数负责分配内存并更新 totalAllocatedSize。
   • deallocate 函数负责释放内存并更新 totalFreedSize。
   • getAllocatedSize 和 getFreedSize 函数用于获取统计信息。
2. 使用自定义 allocator 的 std::vector：
   • 定义了 MyVector 类型，它是使用 MyAllocator<int> 的 std::vector<int>。
   • 对 MyVector 进行插入和删除操作，并通过 get_allocator 获取 MyAllocator 对象，进而获取内存分配和释放的统计信息并输出。