深入解析 C++20 中的 std::pmr::polymorphic_allocator

一、引言

C++20 引入了 std::pmr::polymorphic_allocator，这是一个功能强大的内存分配器，它允许在运行时动态选择内存分配策略。与传统的静态分配器（如 std::allocator）不同，std::pmr::polymorphic_allocator 依赖于 std::pmr::memory_resource，通过运行时多态性来管理内存分配。这种灵活性使得 std::pmr::polymorphic_allocator 成为管理内存分配的有力工具，尤其是在需要动态调整内存分配策略的场景中。

二、std::pmr::polymorphic_allocator 的特性

1. 多态分配行为

std::pmr::polymorphic_allocator 的核心特性是其多态分配行为。它根据构造时使用的 std::pmr::memory_resource 表现出不同的分配行为。例如，可以使用 std::pmr::new_delete_resource 来使用全局的 new 和 delete，或者使用 std::pmr::monotonic_buffer_resource 来实现一个非线程安全的、快速的内存分配器。

2. 默认模板参数

从 C++20 开始，std::pmr::polymorphic_allocator 的默认模板参数从 void 改为 std::byte。这一改变使得 polymorphic_allocator 更加通用，能够更好地与其他标准库组件（如 std::pmr::vector 和 std::pmr::string）协同工作。

3. 附加成员函数

C++20 为 std::pmr::polymorphic_allocator 添加了多个成员函数，以增强其功能：

• allocate_bytes 和 deallocate_bytes：用于分配和释放原始对齐内存。
• allocate_object 和 deallocate_object：用于分配和释放适合对象或数组的内存。
• new_object 和 delete_object：用于分配并构造对象，以及销毁并释放对象。

这些函数提供了更细粒度的内存管理能力，使得开发者能够更精确地控制内存分配和释放。

三、使用场景

1. 动态内存分配策略

std::pmr::polymorphic_allocator 的多态特性使其成为实现动态内存分配策略的理想选择。例如，在一个需要根据运行时条件选择内存分配器的应用中，可以使用 polymorphic_allocator 来动态切换不同的 memory_resource。

2. 容器与分配器的解耦

std::pmr::polymorphic_allocator 允许容器在运行时动态选择内存分配器，而无需在编译时固定分配器类型。这使得容器更加灵活，能够适应不同的内存管理需求。

3. 性能优化

通过使用高效的 memory_resource 实现（如 std::pmr::monotonic_buffer_resource），std::pmr::polymorphic_allocator 可以显著提高内存分配的性能。这对于需要频繁分配和释放内存的应用尤其重要。

四、示例代码

以下是一个使用 std::pmr::polymorphic_allocator 的示例，展示了如何结合 std::pmr::monotonic_buffer_resource 来管理内存：

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

void TestPmrVec() {
    char buffer[1000000 * 4] = {0};
    std::pmr::monotonic_buffer_resource mbr{std::data(buffer), std::size(buffer)};
    std::pmr::polymorphic_allocator<int> pa{&mbr};
    std::pmr::vector<int> vec{pa};

    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        vec.push_back(i);
    }
    std::cout << "End" << std::endl;
}

int main() {
    TestPmrVec();
    return 0;
}

在这个示例中，std::pmr::monotonic_buffer_resource 用于管理一个预分配的内存缓冲区。std::pmr::vector 使用这个缓冲区来分配内存，从而避免了频繁的内存分配和释放操作。

五、总结

std::pmr::polymorphic_allocator 是 C++20 中一个强大的工具，它通过运行时多态性提供了灵活的内存分配策略。其默认模板参数的改变和附加成员函数的引入，进一步增强了其功能和通用性。通过合理使用 std::pmr::polymorphic_allocator，开发者可以在运行时动态调整内存分配策略，优化性能，并实现容器与分配器的解耦。