空间配置器

简化版的空间配置器

#include <cstdlib>   // 用于 malloc/free
#include <cstddef>   // 用于 size_t/ptrdiff_t
#include <new>       // 用于 placement new（构造对象）
#include <iostream>  // 仅用于测试// --------------- 1. 空闲内存块结构体 ---------------
// 用于串联空闲内存块，形成空闲链表
struct FreeObj {FreeObj* next;  // 指向下一个空闲块的指针
};// --------------- 2. 空间配置器模板类 ---------------
// 模板参数 T：配置器管理的对象类型
template <typename T>
class SimpleAllocator {
public:// ---------------- 类型定义（符合STL规范） ----------------typedef T               value_type;    // 配置器管理的对象类型typedef T*              pointer;       // 指向对象的指针typedef const T*        const_pointer; // 指向常量对象的指针typedef T&              reference;     // 对象的引用typedef const T&        const_reference; // 常量对象的引用typedef size_t          size_type;     // 内存大小/对象个数类型typedef ptrdiff_t       difference_type; // 指针差值类型// ---------------- 模板rebind（适配其他类型） ----------------// 作用：将当前配置器适配到新类型 U（如vector<int>需要为迭代器分配内存时使用）template <typename U>struct rebind {typedef SimpleAllocator<U> other;};// ---------------- 构造/析构函数（无状态，仅占位） ----------------SimpleAllocator() noexcept {}SimpleAllocator(const SimpleAllocator&) noexcept {}// 跨类型拷贝构造（如从SimpleAllocator<int>构造SimpleAllocator<double>）template <typename U>SimpleAllocator(const SimpleAllocator<U>&) noexcept {}~SimpleAllocator() noexcept {}// ---------------- 核心功能1：内存分配（allocate） ----------------// 功能：分配能存储n个T类型对象的内存（仅分配，不构造对象）// 参数n：对象个数；hint：内存分配提示（可选，此处未使用）// 返回值：指向分配内存的指针（失败返回nullptr）pointer allocate(size_type n, const void* hint = nullptr) {// 计算需要分配的总字节数size_type bytes = n * sizeof(T);pointer ret = nullptr;// 分两种情况：大内存直接用malloc，小内存用内存池if (bytes > _MAX_SMALL_BYTES) {// 1. 大内存（超过阈值）：直接调用mallocret = reinterpret_cast<pointer>(std::malloc(bytes)); // 修复：void*→pointer用reinterpret_castif (ret == nullptr) {throw std::bad_alloc(); // 分配失败抛出异常（符合C++标准）}} else {// 2. 小内存（不超过阈值）：从内存池的空闲链表分配// 2.1 计算当前字节数对应的空闲链表索引size_type index = _get_freelist_index(bytes);// 2.2 获取对应空闲链表的头指针FreeObj** freelist = &_free_lists[index];// 2.3 尝试从链表头部取一块内存FreeObj* free_block = *freelist;if (free_block == nullptr) {// 2.3.1 空闲链表为空：调用refill填充链表（批量分配内存块）ret = reinterpret_cast<pointer>(_refill(_round_up(bytes))); // 修复：void*→pointer用reinterpret_cast} else {// 2.3.2 空闲链表非空：取下链表头，更新链表*freelist = free_block->next; // 链表头后移ret = reinterpret_cast<pointer>(free_block); // 修复：FreeObj*→pointer用reinterpret_cast}}return ret;}// ---------------- 核心功能2：内存释放（deallocate） ----------------// 功能：释放之前allocate分配的内存（仅释放，不析构对象）// 参数p：待释放内存的指针；n：当初分配的对象个数（用于计算字节数）void deallocate(pointer p, size_type n) {if (p == nullptr) return; // 空指针直接返回，避免无效操作// 计算需要释放的总字节数size_type bytes = n * sizeof(T);if (bytes > _MAX_SMALL_BYTES) {// 1. 大内存：直接调用free（pointer→void*可隐式转换，无需cast）std::free(p);} else {// 2. 小内存：放回内存池的对应空闲链表（头插法，O(1)效率）// 2.1 计算对应空闲链表索引size_type index = _get_freelist_index(bytes);// 2.2 获取对应空闲链表头指针FreeObj** freelist = &_free_lists[index];// 2.3 将当前内存块转为FreeObj结构（用于串联链表）FreeObj* free_block = reinterpret_cast<FreeObj*>(p); // 修复：pointer→FreeObj*用reinterpret_cast// 2.4 头插法插入空闲链表free_block->next = *freelist; // 新块的next指向原链表头*freelist = free_block;       // 链表头更新为新块}}// ---------------- 辅助功能1：对象构造（construct） ----------------// 功能：在已分配的内存p上构造T类型对象（调用T的构造函数）// 参数p：内存指针；args：构造函数的参数（变长模板，支持任意参数）template <typename... Args>void construct(pointer p, Args&&... args) {// placement new：在指定内存p上构造对象，不额外分配内存::new (static_cast<void*>(p)) T(std::forward<Args>(args)...); // void*是中间类型，static_cast合法}// ---------------- 辅助功能2：对象析构（destroy） ----------------// 功能：析构p指向的T类型对象（调用T的析构函数，不释放内存）void destroy(pointer p) {p->~T(); // 显式调用析构函数（仅清理对象资源，内存需后续deallocate释放）}private:// ---------------- 内存池核心参数（静态成员，所有实例共享） ----------------static const size_type _MAX_SMALL_BYTES = 128;  // 小内存阈值（超过则视为大内存）static const size_type _ALIGN = 8;              // 内存对齐值（小内存按8字节对齐）// 空闲链表数组：大小 = (最大小内存字节数 + 对齐值 - 1) / 对齐值（覆盖所有对齐后的大小）static FreeObj* _free_lists[(_MAX_SMALL_BYTES + _ALIGN - 1) / _ALIGN];// ---------------- 辅助函数1：内存对齐（round_up） ----------------// 功能：将bytes向上对齐到_ALIGN的整数倍（确保小内存块大小统一）static size_type _round_up(size_type bytes) {// 对齐公式：(bytes + 对齐值 - 1) & ~(对齐值 - 1)（清除低3位，实现8字节对齐）return (bytes + _ALIGN - 1) & ~(_ALIGN - 1);}// ---------------- 辅助函数2：计算空闲链表索引（_get_freelist_index） ----------------// 功能：根据对齐后的字节数，计算对应的空闲链表数组下标static size_type _get_freelist_index(size_type bytes) {// 先对齐，再计算索引（例：8字节→0，16字节→1，...，128字节→15）return (_round_up(bytes) / _ALIGN) - 1;}// ---------------- 辅助函数3：填充空闲链表（_refill） ----------------// 功能：当空闲链表为空时，批量分配内存块并填充链表// 参数align_bytes：对齐后的单个内存块字节数// 返回值：其中一个内存块（供本次分配使用）static void* _refill(size_type align_bytes) {const size_type _BATCH_SIZE = 20; // 批量分配的块数（一次分配20个，减少malloc调用）// 计算批量分配的总字节数size_type total_bytes = align_bytes * _BATCH_SIZE;// 调用malloc批量分配内存（返回void*）void* batch_mem = std::malloc(total_bytes);if (batch_mem == nullptr) {// 批量分配失败：尝试单独分配一个块（保底策略）batch_mem = std::malloc(align_bytes);if (batch_mem == nullptr) {throw std::bad_alloc(); // 仍失败则抛出异常}// 单独分配时，无需填充链表（直接返回该块）return batch_mem;}// 批量分配成功：将大块内存分割成_BATCH_SIZE个小块，填充到对应空闲链表FreeObj** freelist = &_free_lists[_get_freelist_index(align_bytes)];FreeObj* current_block = reinterpret_cast<FreeObj*>(batch_mem); // 修复：void*→FreeObj*用reinterpret_castFreeObj* next_block = nullptr;// 1. 第1个块留给本次分配使用（返回给用户）void* ret = current_block;// 2. 从第2个块开始，串联成空闲链表（按字节偏移计算下一块地址）// 先转char*（1字节单位，支持精确偏移），再转FreeObj*current_block = reinterpret_cast<FreeObj*>(reinterpret_cast<char*>(batch_mem) + align_bytes // 修复：void*→char*用reinterpret_cast);*freelist = current_block; // 链表头指向第2个块// 循环串联剩余块（从第3个到第20个）for (size_type i = 2; i < _BATCH_SIZE; ++i) {// 计算下一块地址：当前块地址 + 单个块字节数（char*偏移后转FreeObj*）next_block = reinterpret_cast<FreeObj*>(reinterpret_cast<char*>(current_block) + align_bytes // 修复：FreeObj*→char*用reinterpret_cast);current_block->next = next_block; // 串联当前块和下一块current_block = next_block;       // 移动到下一块}current_block->next = nullptr; // 链表尾置空（避免野指针）return ret; // 返回第1个块给本次分配}
};// ---------------- 静态成员初始化（必须在类外初始化，所有实例共享） ----------------
template <typename T>
FreeObj* SimpleAllocator<T>::_free_lists[(_MAX_SMALL_BYTES + _ALIGN - 1) / _ALIGN] = {nullptr};// ---------------- 3. 测试代码 ----------------
int main() {// 测试1：分配/释放int类型内存（小内存，4字节→对齐到8字节）SimpleAllocator<int> int_alloc;int* p1 = int_alloc.allocate(1); // 分配1个int的内存int_alloc.construct(p1, 100);    // 在p1上构造int对象（值为100）std::cout << "p1 value: " << *p1 << std::endl; // 输出：p1 value: 100int_alloc.destroy(p1);           // 析构p1指向的对象int_alloc.deallocate(p1, 1);     // 释放内存（放回空闲链表）// 测试2：分配/释放string类型内存（大内存，string对象通常大于128字节）SimpleAllocator<std::string> str_alloc;std::string* p2 = str_alloc.allocate(2); // 分配2个string的内存str_alloc.construct(p2, "Hello");        // 构造第1个string（值为"Hello"）str_alloc.construct(p2 + 1, "Allocator");// 构造第2个string（值为"Allocator"）std::cout << "p2[0]: " << p2[0] << ", p2[1]: " << p2[1] << std::endl; // 输出：p2[0]: Hello, p2[1]: Allocatorstr_alloc.destroy(p2 + 1);               // 析构第2个stringstr_alloc.destroy(p2);                   // 析构第1个stringstr_alloc.deallocate(p2, 2);             // 释放内存（直接free）return 0;
}

核心设计说明

1. 小内存 vs 大内存分治

   • 阈值 _MAX_SMALL_BYTES=128：小于等于 128 字节的内存视为 “小内存”，用内存池管理；超过则视为 “大内存”，直接调用 malloc/free（大内存用内存池收益低，且易浪费空间）。
   • 对齐规则 _ALIGN=8：小内存按 8 字节对齐，确保所有小内存块大小统一，方便分类存储（如 5 字节→8 字节，9 字节→16 字节）。

2. 空闲链表数组 _free_lists

   • 本质：指针数组，每个元素指向一条 “相同大小空闲块的链表”（如索引 0→8 字节块链表，索引 1→16 字节块链表）。
   • 大小计算：(128+8-1)/8=16，共 16 条链表，覆盖 8~128 字节的所有对齐后大小。

3. 关键辅助函数

   • _round_up：将内存大小向上对齐到 8 的整数倍，保证小内存块大小统一。
   • _get_freelist_index：根据对齐后的大小计算链表索引，快速定位空闲链表。
   • _refill：空闲链表为空时，批量分配 20 个块（减少 malloc 调用次数），1 个块返回给用户，其余串成链表备用。

4. 对象构造 / 析构分离

   • construct：用 placement new 在已分配内存上构造对象（不额外分配内存），支持任意构造函数参数（变长模板）。
   • destroy：显式调用对象析构函数（仅清理对象资源，内存需通过 deallocate 释放）。

a. 对于 new 来说，编译器会先调用 ::operator new 分配内存；然后调用 Obj::Obj() 构造对象内容。

b. 对于 delete 来说，编译器会先调用 Obj::~Obj() 析构对象；然后调用  ::operator delete 释放空间。

为了精密分工，STL allocator 决定将这两个阶段操作区分开来。

c. 对象构造由 ::construct() 负责；对象释放由 ::destroy() 负责。

d. 内存配置由 alloc::allocate() 负责；内存释放由 alloc::deallocate() 负责；

空闲链表（自由链表）

在这段代码中，空闲链表（自由链表）是一种 “数组管理多链表” 的分层结构—— 核心是 “一个静态数组（_free_lists）+ 多组单链表”，数组的每个元素对应一条 “固定大小的空闲内存块单链表”，所有空闲内存块通过链表节点的指针串联，最终实现 “小内存块按大小分类管理、快速分配与回收”。

要理解其具体形式，需拆解两个核心组成部分：链表节点结构 和 数组与链表的关联方式，再结合内存分配 / 释放的操作逻辑，就能清晰看到空闲链表的完整形态。

一、第一步：明确空闲链表的 “节点结构”——FreeObj

所有空闲内存块，都会被 “包装” 成 FreeObj 类型的节点，这是链表串联的基础。代码中定义的 FreeObj 结构体非常简洁：

struct FreeObj {FreeObj* next;  // 唯一成员：指向“下一个空闲块节点”的指针
};

• 本质：FreeObj 是一个 “链表节点模板”—— 它不存储实际数据，仅用 next 指针将多个空闲内存块串联成单链表。
• 内存块与节点的关联：当一块内存被释放为 “空闲块” 时，代码会将其强制转换为 FreeObj* 类型（通过 reinterpret_cast），此时这块内存的前 4 字节（32 位系统）或 8 字节（64 位系统） 会被用作 next 指针，剩余部分仍为原始内存空间（下次分配时会覆盖 next 指针，不影响使用）。

举个例子：一块 8 字节的空闲内存，作为 FreeObj 节点的形态如下（64 位系统）：

二、第二步：明确空闲链表的 “管理结构”——_free_lists 数组

单个链表只能管理 “同一种大小” 的空闲块，而代码需要管理 “8 字节、16 字节、24 字节……128 字节” 等多种小内存块（按 8 字节对齐），因此用 静态数组 _free_lists 来分类管理这些链表。

1. 数组的定义与大小

代码中 _free_lists 的定义是：

static FreeObj* _free_lists[(_MAX_SMALL_BYTES + _ALIGN - 1) / _ALIGN];

• 核心参数：
  • _MAX_SMALL_BYTES = 128：内存池管理的 “最大小内存字节数”（超过则用 malloc 直接分配）；
  • _ALIGN = 8：内存对齐值（所有小内存块按 8 字节向上对齐，确保块大小统一）。
• 数组大小计算：(128 + 8 - 1) / 8 = 16 → 数组有 16 个元素，每个元素对应一条 “固定大小的空闲链表”。

2. 数组与链表的对应关系

数组的每个下标对应一种 “对齐后的空闲块大小”，下标与块大小的映射规则由 _get_freelist_index 函数定义：

static size_type _get_freelist_index(size_type bytes) {return (_round_up(bytes) / _ALIGN) - 1;
}

• _round_up(bytes)：将请求的字节数向上对齐到 8 的整数倍（如 5 字节→8 字节，9 字节→16 字节）；

• 映射示例（数组下标 → 对应空闲块大小）：

  数组下标	对齐后的块大小	管理的请求内存范围（未对齐）
  0	8 字节	1~8 字节
  1	16 字节	9~16 字节
  2	24 字节	17~24 字节
  ...	...	...
  15	128 字节	121~128 字节

• 数组元素的作用：每个元素是一条 “对应大小空闲链表” 的头指针—— 指向链表的第一个空闲块节点；若链表为空，则头指针为 nullptr。

三、第三步：空闲链表的 “实际形态”（结合操作逻辑）

空闲链表的形态不是固定的，会随着 allocate（分配）和 deallocate（释放）动态变化，我们通过两个核心场景来还原其形态：

场景 1：初始状态（无空闲块）

程序启动时，_free_lists 数组的所有元素都被初始化为 nullptr（类外静态初始化），此时所有空闲链表均为空：

_free_lists[0] → nullptr  （8字节链表空）
_free_lists[1] → nullptr  （16字节链表空）
...
_free_lists[15] → nullptr （128字节链表空）

场景 2：第一次分配 8 字节内存（触发_refill 填充链表）

当调用 int_alloc.allocate(1)（int 占 4 字节，对齐后 8 字节）时：

1. 计算下标：_get_freelist_index(4) → 0 → 操作 _free_lists[0]（8 字节链表）；
2. 发现 _free_lists[0] 为 nullptr（链表空），调用 _refill(8) 批量分配空闲块；
3. _refill 逻辑：
   • 一次分配 20个8字节块（_BATCH_SIZE=20），总字节数 20*8=160 字节；
   • 将第 1 个块返回给用户（作为分配结果）；
   • 剩余 19 个块串联成单链表，头指针赋值给 _free_lists[0]。

此时 _free_lists[0] 对应的 8 字节链表形态如下：

_free_lists[0] → 块2（8字节） → 块3（8字节） → 块4（8字节） → ... → 块20（8字节） → nullptr

• 块 2~ 块 20：19 个空闲块，通过 FreeObj::next 指针串联；
• 每个块的 next 指针指向 “下一个空闲块”，最后一个块的 next 为 nullptr（链表尾）。

场景 3：释放 8 字节内存（头插法回链表）

当用户释放之前分配的 8 字节块（块 1）时，调用 int_alloc.deallocate(p1, 1)：

1. 计算下标：仍为 0 → 操作 _free_lists[0]；
2. 将块 1 转换为 FreeObj* 类型，用头插法插入链表：
   • 块 1 的 next 指针指向原链表头（块 2）；
   • 更新 _free_lists[0] 为块 1（新链表头）。

此时 8 字节链表形态更新为：

_free_lists[0] → 块1（8字节） → 块2（8字节） → 块3（8字节） → ... → 块20（8字节） → nullptr

• 头插法的优势：O (1) 时间复杂度，无需遍历链表，释放效率极高。

场景 4：再次分配 8 字节内存（从链表头取块）

当再次分配 8 字节内存时：

1. 直接取 _free_lists[0] 指向的块 1（链表头）；
2. 更新 _free_lists[0] 为块 2（链表头后移）；
3. 将块 1 返回给用户（此时块 1 的 next 指针会被覆盖，不影响使用）。

此时链表形态恢复为场景 2 的状态：

_free_lists[0] → 块2（8字节） → 块3（8字节） → ... → 块20（8字节） → nullptr

四、总结：空闲链表的整体形式

这段代码中的空闲链表，本质是一种 “数组索引 + 单链表” 的分层结构，可概括为：

1. 顶层：_free_lists 静态数组：作为 “大小分类目录”，16 个元素对应 16 种对齐后的小内存块大小（8~128 字节）；
2. 底层：多条单链表：数组的每个元素对应一条单链表，链表节点是 FreeObj 类型的空闲内存块，通过 next 指针串联；
3. 核心特性：
   • 按大小分类管理：避免不同大小的空闲块混放，分配时直接定位对应链表，效率高；
   • 头插 / 头取：分配和释放均为 O (1) 时间复杂度，适合小内存频繁操作；
   • 批量填充：链表空时通过 _refill 批量分配块，减少 malloc 调用次数（降低系统开销）。

简单说，这个空闲链表就像 “多个分类抽屉”—— 数组是抽屉的标签（8 字节、16 字节……），每个抽屉里放着一串相同大小的空闲块，取 / 放块时直接打开对应抽屉，从最上面拿 / 放，高效且有序。

为了更深入理解 SimpleAllocator 空闲链表的工作机制，我们可以结合 多类型内存交替分配 / 释放、内存碎片产生、大 / 小内存混合操作、对象生命周期管理 等复杂场景展开分析。每个场景会拆解操作步骤，并展示空闲链表的动态变化，同时指出代码的优势与局限性。

场景 1：多类型小内存交替分配与释放（核心体现 “分类管理” 优势）

场景描述

同时分配 3 种不同大小的小内存对象（均≤128 字节），交替释放后观察空闲链表的回收逻辑，重点体现 “不同大小的块归位到对应链表” 的特性。
涉及对象：

• char（1 字节→对齐 8 字节，对应 _free_lists[0]）；
• short（2 字节→对齐 8 字节，对应 _free_lists[0]）；
• 自定义小对象 SmallObj（12 字节→对齐 16 字节，对应 _free_lists[1]）。

操作步骤与空闲链表变化

步骤 1：初始状态（所有链表为空）

_free_lists[0]（8字节）：nullptr  
_free_lists[1]（16字节）：nullptr  
_free_lists[2~15]：均为nullptr  

步骤 2：分配 1 个char（8 字节，触发_refill）

• 计算下标：_get_freelist_index(1) → 0（8 字节链表）；
• 链表为空，调用 _refill(8)：批量分配 20 个 8 字节块（总 160 字节），第 1 块返回用户，剩余 19 块串联成链表。
  此时空闲链表状态：

_free_lists[0] → 块2（8B）→ 块3（8B）→ ... → 块20（8B）→ nullptr  
_free_lists[1]：nullptr  

用户拿到的内存：char* c1 = alloc.allocate(1)（块 1）。

步骤 3：分配 1 个SmallObj（16 字节，触发_refill）

• 计算下标：_get_freelist_index(12) → 1（16 字节链表）；
• 链表为空，调用 _refill(16)：批量分配 20 个 16 字节块（总 320 字节），第 1 块返回用户，剩余 19 块串联成链表。
  此时空闲链表状态：

_free_lists[0] → 块2（8B）→ ... → 块20（8B）→ nullptr  
_free_lists[1] → 块2（16B）→ ... → 块20（16B）→ nullptr  

用户拿到的内存：SmallObj* obj1 = alloc.allocate(1)（块 1，16B）。

步骤 4：分配 1 个short（8 字节，直接从链表取）

• 下标 0，_free_lists[0] 非空，取链表头（块 2）返回用户，链表头后移到块 3。
  此时空闲链表状态：

_free_lists[0] → 块3（8B）→ ... → 块20（8B）→ nullptr  
_free_lists[1] → 块2（16B）→ ... → 块20（16B）→ nullptr  

用户拿到的内存：short* s1 = alloc.allocate(1)（块 2，8B）。

步骤 5：释放char* c1（8 字节，头插回链表 0）

• 将块 1（8B）转为FreeObj*，头插法插入 _free_lists[0]，新链表头为块 1。
  此时空闲链表状态：

_free_lists[0] → 块1（8B）→ 块3（8B）→ ... → 块20（8B）→ nullptr  
_free_lists[1] → 块2（16B）→ ... → 块20（16B）→ nullptr  

步骤 6：释放SmallObj* obj1（16 字节，头插回链表 1）

• 将块 1（16B）转为FreeObj*，头插法插入 _free_lists[1]，新链表头为块 1。
  此时空闲链表状态：

_free_lists[0] → 块1（8B）→ 块3（8B）→ ... → 块20（8B）→ nullptr  
_free_lists[1] → 块1（16B）→ 块2（16B）→ ... → 块20（16B）→ nullptr  

核心结论

• 空闲链表的 “分类管理” 生效：8 字节块只在 _free_lists[0] 流转，16 字节块只在 _free_lists[1] 流转，互不干扰；
• 分配 / 释放效率极高：小内存分配优先从对应链表取（O (1)），释放时头插回链表（O (1)），无需遍历所有块。

场景 2：小内存频繁分配释放导致的 “内存碎片”（暴露局限性）

场景描述

频繁分配 / 释放 不同大小的小内存块，观察 “内部碎片” 和 “外部碎片” 的产生过程，以及空闲链表无法合并碎片的问题。
涉及对象：

• int（4 字节→8B，链表 0）；
• SmallObj2（20 字节→24B，链表 2：24B/8=3 → 下标 3-1=2）。

操作步骤与碎片产生

步骤 1：批量分配 8B 和 24B 块

• 分配 5 个int（8B）：从链表 0 取 5 块（块 1~5），链表 0 剩余 15 块；
• 分配 3 个SmallObj2（24B）：从链表 2 取 3 块（块 1~3），链表 2 剩余 17 块。
  此时内存使用状态：

8B块：块1~5被占用，块6~20空闲（链表0）；
24B块：块1~3被占用，块4~20空闲（链表2）；

步骤 2：交替释放部分块（产生 “外部碎片”）

• 释放int*块 2、4（8B）：回插链表 0，链表 0 变为「块 4→块 2→块 6→...→块 20」；
• 释放SmallObj2*块 1、3（24B）：回插链表 2，链表 2 变为「块 3→块 1→块 4→...→块 20」。

此时空闲链表中存在 “不连续的空闲块”，但由于 不同链表的块大小固定，无法合并：

• 链表 0 的空闲块都是 8B，即使相邻也无法合并成 16B 或更大块；
• 链表 2 的空闲块都是 24B，同样无法合并成更大块。

步骤 3：请求分配 32B 内存（触发新链表，但无法利用现有碎片）

• 用户请求 32B 内存（对齐后 32B，对应链表 3：32/8-1=3）；
• 链表 3 为空，调用_refill(32)分配 20 个 32B 块，无法利用链表 0/2 的 8B/24B 空闲块（大小不匹配）。

此时产生 “外部碎片”：链表 0/2 有大量空闲块，但无法满足 32B 的请求，只能重新分配新内存。

核心结论

• 该空闲链表的 “固定大小块” 设计会导致 外部碎片：不同链表的空闲块无法合并，即使总空闲内存足够，也无法满足其他大小的请求；
• 同时存在 内部碎片：比如请求 5 字节内存，实际分配 8 字节，浪费 3 字节（对齐导致）。

场景 3：大内存与小内存混合分配释放（体现 “分层策略”）

场景描述

同时分配 小内存（≤128B）和大内存（>128B），观察两者的独立处理逻辑，以及空闲链表与直接malloc/free的协作。
涉及对象：

• int（4B→8B，小内存，链表 0）；
• std::string（假设存储长字符串，对象大小 > 128B，大内存）；
• double（8B→8B，小内存，链表 0）。

操作步骤与处理逻辑

步骤 1：分配小内存int（8B）

• 走空闲链表 0：首次分配触发_refill(8)，获取块 1，链表 0 剩余 19 块。

步骤 2：分配大内存std::string（>128B）

• 计算字节数：假设std::string对象 + 数据总大小 256B，超过_MAX_SMALL_BYTES=128；
• 直接调用malloc(256)分配，不经过空闲链表；
• 用户拿到内存：std::string* str1 = str_alloc.allocate(1)。

步骤 3：分配小内存double（8B）

• 走空闲链表 0：从链表头取块 2，链表 0 剩余 18 块。

步骤 4：释放小内存int（8B）

• 回插链表 0：头插法插入块 1，链表 0 变为「块 1→块 3→...→块 20」。

步骤 5：释放大内存std::string（256B）

• 直接调用free(str1)释放，不经过空闲链表；
• 大内存的释放与空闲链表完全独立，互不影响。

步骤 6：再次分配小内存int（8B）

• 从链表 0 取头块 1（刚释放的块），链表 0 变为「块 3→...→块 20」。

核心结论

• 代码的 “分层策略” 清晰：小内存走空闲链表（复用内存，减少malloc），大内存直接malloc/free（避免为大块分配维护链表，节省内存）；
• 两者独立工作，大内存的分配释放不会干扰空闲链表的状态，反之亦然。

场景 4：对象析构与内存回收的 “分离逻辑”（避免资源泄漏）

场景描述

分配 带资源的自定义对象（如持有动态内存的MyString），验证SimpleAllocator的construct/destroy与allocate/deallocate的配合 —— 必须先析构对象（释放内部资源），再释放内存（回链表），否则会导致资源泄漏。
自定义对象：

class MyString {
private:char* _data;size_t _len;
public:MyString(const char* s) {_len = strlen(s);_data = new char[_len + 1]; // 内部动态分配内存strcpy(_data, s);}~MyString() {delete[] _data; // 析构时释放内部内存}const char* c_str() const { return _data; }
};

操作步骤与风险点

步骤 1：分配MyString内存（小内存，16B：char*+size_t→对齐 16B，链表 1）

• 调用allocate(1)：从链表 1 取块 1，返回MyString* p；
• 此时p指向的内存是 “原始内存”，未构造对象，_data未初始化。

步骤 2：构造MyString对象（调用construct）

• 调用alloc.construct(p, "Hello Allocator")：通过 placement new 调用MyString构造函数；
• 构造后，p->_data指向堆内存（存储字符串），对象资源初始化完成。

步骤 3：直接释放内存（不析构对象，风险！）

• 错误操作：alloc.deallocate(p, 1)（未调用destroy）；
• 后果：p指向的内存回插链表 1，但p->_data指向的堆内存未释放（内存泄漏）；
• 后续分配该块内存时，新对象的构造会覆盖_data指针，泄漏的内存永远无法回收。

步骤 4：正确操作（先析构，再释放）

• 分配新对象：MyString* p2 = alloc.allocate(1)；
• 构造：alloc.construct(p2, "Correct Usage")；
• 析构：alloc.destroy(p2)（调用~MyString()，释放_data指向的内存）；
• 释放内存：alloc.deallocate(p2, 1)（内存回插链表 1，无资源泄漏）。

核心结论

• SimpleAllocator 严格区分 “对象构造 / 析构” 和 “内存分配 / 释放”：
  • construct/destroy 负责对象的生命周期（调用构造 / 析构函数，管理内部资源）；
  • allocate/deallocate 负责内存的生命周期（分配 / 释放原始内存，与对象资源无关）；
• 必须遵循 “先析构，再释放” 的顺序，否则会导致对象内部资源泄漏（这是所有 STL 风格分配器的通用规则）。

总结：复杂场景下的空闲链表特性

这些场景也体现了工业级内存池（如 tcmalloc、jemalloc）的优化方向：比如支持空闲块合并（解决外部碎片）、线程局部缓存（减少锁竞争）、动态调整批量分配大小（平衡内存利用率与效率）等，而SimpleAllocator作为简化版本，仅实现了核心的空闲链表管理，适合理解内存池的基础原理。