前言：之前看过侯老师的《STL源码剖析》但是那已经是多年以前的，现在工作中有时候查问题和崩溃都需要了解实际工作中使用到的STL的实现。因此计划把STL的源码再过一遍。
摘要：本文描述了llvm中libcxx的allocator的实现。
关键字：allocator
其他：参考代码LLVM-libcxx
注意：参考代码时llvm的实现，与gnu和msvc的实现都有区别。
1 allocator
1.1 简介
allocator是STL中对一个堆内存分配器，是对内存申请工作的一个封装，将内存的申请和成员的构造抽象开来方便控制。基本上，C++标准库中的容器的默认分配器都是allocator。在C++中分配器是通过模板参数的方式指定给对应的容器，默认就是allocator，用户自己也可以实现自己的内存管理类，对堆的内存进行有效的管理也可以将对应的分配器指定给容器使用（前提是接口保持一致）。
std::allocator<int> alloc1;
// demonstrating the few directly usable members
static_assert(std::is_same_v<int, decltype(alloc1)::value_type>);
int* p1 = alloc1.allocate(1); // space for one int
alloc1.deallocate(p1, 1); // and it is gone
1.2 allocator的实现
先简单看下allocator的声明，其中_LIBCPP_TEMPLATE_VIS是不同版本编译期的可见性宏，标准库的源码中有大量类似的宏，我们大概直到意思即可不用深究。
template <class _Tp>
class _LIBCPP_TEMPLATE_VIS allocator
: private __non_trivial_if<!is_void<_Tp>::value, allocator<_Tp> >
allocator继承的__non_trivial_if是一个空类，该类利用cpp的CRTP实现编译期的多态。该类由一个偏特化版本区别是带有non-trivial的构造函数。在allocator中非void类型都是匹配第二个，void类型匹配第一个。而模板的第二个参数_Unique是为了保持菱形继承过程中的ABI稳定而设置的。
template <bool _Cond, class _Unique>
struct __non_trivial_if {
};
template <class _Unique>
struct __non_trivial_if<true, _Unique> {
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
_LIBCPP_CONSTEXPR __non_trivial_if() _NOEXCEPT {
}
};
allocate函数
allocate函数是用来分配堆内存，可以看到内部实现调用了operator new。该函数实现的基本逻辑就是检查当前希望分配的大小是否可满足（allocator_traits下面会详细描述，暂时就理解为一个类型系统），不满足就会抛出异常，否则会调用对应的分配函数进行分配。__libcpp_is_constant_evaluated用来判断当前函数是否为constexpr。libcpp_alocate的区别内部依然调用了::operator new实现，只是有内存对齐。另外，这里不用new，而是使用::operator new应该是为了避免用户承载了new```的实现而导致无法真正分配到内存。
_VSTD类似于std，也是一个名字空间。
_VSTDis now an alias forstdinstead ofstd::_LIBCPP_ABI_NAMESPACE.
This is technically not a functional change, except for folks that might have been
using_VSTDin creative ways (which has never been officially supported). ————来源libcxx/docs/ReleaseNotes.rs
_LIBCPP_NODISCARD_AFTER_CXX17 _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR_SINCE_CXX20
_Tp* allocate(size_t __n) {
if (__n > allocator_traits<allocator>::max_size(*this))
__throw_bad_array_new_length();
if (__libcpp_is_constant_evaluated()) {
return static_cast<_Tp*>(::operator new(__n * sizeof(_Tp)));
} else {
return static_cast<_Tp*>(_VSTD::__libcpp_allocate(__n * sizeof(_Tp), _LIBCPP_ALIGNOF(_Tp)));
}
}
deallocate
deallocate是用来释放内存的，其实现和allocate基本类似。
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR_SINCE_CXX20
void deallocate(_Tp* __p, size_t __n) _NOEXCEPT {
if (__libcpp_is_constant_evaluated()) {
::operator delete(__p);
} else {
_VSTD::__libcpp_deallocate((void*)__p, __n * sizeof(_Tp), _LIBCPP_ALIGNOF(_Tp));
}
}
construct和destroy
construct（仅仅在对应内存上构造对象）和destroy（仅仅调用析构函数）函数的实现比较简单就是直接显式调用构造函数和析构函数。
template <class _Up, class... _Args>
_LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
void construct(_Up* __p, _Args&&... __args) {
::new ((void*)__p) _Up(_VSTD::forward<_Args>(__args)...);
}
_LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
void destroy(pointer __p) {
__p->~_Tp();
}
rebind
获取另一个类型的allocator，对于带有节点的数据结构，当前allocator只能管理节点数据的内存但是对于节点本身是无法管理的，使用这样的方式能够让二者的管理统一。
template <class _Up>
struct _LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 rebind {
typedef allocator<_Up> other;
};
2 allocator特化版本
2.1 const allocator
const特化版本主要是allocate时返回的是const的函数指针，且在释放时会通过const_cast去除const进行释放。
const _Tp* allocate(size_t __n) {
if (__n > allocator_traits<allocator>::max_size(*this))
__throw_bad_array_new_length();
if (__libcpp_is_constant_evaluated()) {
return static_cast<const _Tp*>(::operator new(__n * sizeof(_Tp)));
} else {
return static_cast<const _Tp*>(_VSTD::__libcpp_allocate(__n * sizeof(_Tp), _LIBCPP_ALIGNOF(_Tp)));
}
}
void deallocate(const _Tp* __p, size_t __n) {
if (__libcpp_is_constant_evaluated()) {
::operator delete(const_cast<_Tp*>(__p));
} else {
_VSTD::__libcpp_deallocate((void*) const_cast<_Tp *>(__p), __n * sizeof(_Tp), _LIBCPP_ALIGNOF(_Tp));
}
}
2.2 void allocator
allocator的void特化版本就是一个空壳子，什么也没有。
template <>
class _LIBCPP_TEMPLATE_VIS allocator<void>
{
#if _LIBCPP_STD_VER <= 17 || defined(_LIBCPP_ENABLE_CXX20_REMOVED_ALLOCATOR_MEMBERS)
public:
_LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 typedef void* pointer;
_LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 typedef const void* const_pointer;
_LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 typedef void value_type;
template <class _Up> struct _LIBCPP_DEPRECATED_IN_CXX17 rebind {
typedef allocator<_Up> other;};
#endif
};
3 类型萃取allocator_traits
allocator_traits将当前类型的类型抽象到一个类中，其实现就是一个类型集合。allocator_traits额外提供了一些关于内存分配的函数，比如max_size等。
template <class _Alloc>
struct _LIBCPP_TEMPLATE_VIS allocator_traits
{
using allocator_type = _Alloc;
using value_type = typename allocator_type::value_type;
using pointer = typename __pointer<value_type, allocator_type>::type;
using const_pointer = typename __const_pointer<value_type, pointer, allocator_type>::type;
using void_pointer = typename __void_pointer<pointer, allocator_type>::type;
using const_void_pointer = typename __const_void_pointer<pointer, allocator_type>::type;
using difference_type = typename __alloc_traits_difference_type<allocator_type, pointer>::type;
using size_type = typename __size_type<allocator_type, difference_type>::type;
using propagate_on_container_copy_assignment = typename __propagate_on_container_copy_assignment<allocator_type>::type;
using propagate_on_container_move_assignment = typename __propagate_on_container_move_assignment<allocator_type>::type;
using propagate_on_container_swap = typename __propagate_on_container_swap<allocator_type>::type;
using is_always_equal = typename __is_always_equal<allocator_type>::type;
};
template <class _Ap = _Alloc, class = void, class =
__enable_if_t<!__has_max_size<const _Ap>::value> >
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR_SINCE_CXX20
static size_type max_size(const allocator_type&) _NOEXCEPT {
return numeric_limits<size_type>::max() / sizeof(value_type);
}