【C++ 面试 - STL】每日 3 题（九）

本文主要是介绍【C++ 面试 - STL】每日 3 题（九），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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25. 说一下 STL 每种容器对应的迭代器

26. STL 的两级空间配置器

allocate 包装 malloc，deallocate 包装 free

allocator 就是用来分配内存的，最重要的两个函数是 allocate 和 deallocate，就是用来申请内存和回收内存的，外部（一般指容器）调用的时候只需要知道这些就够了。

1、首先明白为什么需要二级空间配置器？

我们知道动态开辟内存时，要在堆上申请，但若是我们需要频繁的在堆开辟释放内存，则就会在堆上造成很多外部碎片，浪费了内存空间；
每次都要进行调用 malloc、free 函数等操作，使空间就会增加一些附加信息，降低了空间利用率；
随着外部碎片增多，内存分配器在找不到合适内存情况下需要合并空闲块，浪费了时间，大大降低了效率。
于是就设置了二级空间配置器，当开辟内存 <= 128 bytes 时，即视为开辟小块内存，则调用二级空间配置器。
关于 STL 中一级空间配置器和二级空间配置器的选择上，一般默认选择的为二级空间配置器。 如果大于 128 字节再转去一级配置器器。

一级配置器

一级空间配置器中重要的函数就是 allocate、deallocate、reallocate。 一级空间配置器是以 malloc()，free()，realloc() 等 C 函数执行实际的内存配置。大致过程是：
1、直接 allocate 分配内存，其实就是 malloc 来分配内存，成功则直接返回，失败就调用处理函数。
2、如果用户自定义了内存分配失败的处理函数就调用，没有的话就返回异常。
3、如果自定义了处理函数就进行处理，完事再继续分配试试。

二级配置器

1、维护 16 条链表，分别是 0-15 号链表，最小 8 字节，以 8 字节逐渐递增，最大 128 字节，你传入一个字节参数，表示你需要多大的内存，会自动帮你校对到第几号链表（如需要 13 bytes 空间，我们会给它分配 16 bytes 大小），在找到第 n 个链表后查看链表是否为空，如果不为空直接从对应的 free_list 中拔出，将已经拨出的指针向后移动一位。

2、对应的 free_list 为空，先看其内存池是不是空时，如果内存池不为空：
（1）先检验它剩余空间是否够 20 个节点大小（即所需内存大小(提升后) * 20），若足够则直接从内存池中拿出 20 个节点大小空间，将其中一个分配给用户使用，另外 19 个当作自由链表中的区块挂在相应的 free_list 下，这样下次再有相同大小的内存需求时，可直接拨出。
（2）如果不够 20 个节点大小，则看它是否能满足 1 个节点大小，如果够的话则直接拿出一个分配给用户，然后从剩余的空间中分配尽可能多的节点挂在相应的 free_list 中。
（3）如果连一个节点内存都不能满足的话，则将内存池中剩余的空间挂在相应的 free_list 中（找到相应的 free_list），然后再给内存池申请内存，转到 3。

3、内存池为空，申请内存。此时二级空间配置器会使用 malloc() 从 heap 上申请内存，（一次所申请的内存大小为 2 * 所需节点内存大小（提升后）* 20 + 一段额外空间），申请 40 块，一半拿来用，一半放内存池中。

4、malloc 没有成功。在第三种情况下，如果 malloc() 失败了，说明 heap 上没有足够空间分配给我们了，这时，二级空间配置器会从比所需节点空间大的 free_list 中一一搜索，从比它所需节点空间大的 free_list 中拔除一个节点来使用。如果这也没找到，说明比其大的 free_list 中都没有自由区块了，那就要调用一级适配器了。而一级配置器其实也是使用 malloc()，但是它有 out-of-memeory 处理机制，或许有机会拿其它的内存拿来此处使用。如果还是申请不成功，就会发出 bad_alloc 异常。
释放时调用 deallocate() 函数，若释放的 n > 128，则调用一级空间配置器，否则就直接将内存块挂上自由链表的合适位置。

STL 二级空间配置器虽然解决了外部碎片与提高了效率，但它同时增加了一些缺点：

1. 因为自由链表的管理问题，它会把我们需求的内存块自动提升为 8 的倍数，这时若你需要 1 个字节，它会给你 8 个字节，即浪费了 7 个字节，所以它又引入了内部碎片的问题，若相似情况出现很多次，就会造成很多内部碎片；
2. 二级空间配置器是在堆上申请大块的狭义内存池，然后用自由链表管理，供现在使用，在程序执行过程中，它将申请的内存一块一块都挂在自由链表上，即不会还给操作系统，并且它的实现中所有成员全是静态的，所以它申请的所有内存只有在进程结束才会释放内存，还给操作系统，由此带来的问题有：
3. 即我不断的开辟小块内存，最后整个堆上的空间都被挂在自由链表上，若我想开辟大块内存就会失败；
4. 若自由链表上挂很多内存块没有被使用，当前进程又占着内存不释放，这时别的进程在堆上申请不到空间，也不可以使用当前进程的空闲内存，由此就会引发多种问题。

一级分配器

GC4.9 之后就没有第一级了，只有第二级

二级分配器

—— default_alloc_template 剖析
有个自动调整的函数：你传入一个字节参数，表示你需要多大的内存，会自动帮你校对到第几号链表（0-15 号链表，最小 8 字节，最大 128 字节）
allocate 函数：如果要分配的内存大于 128 字节，就转用第一级分配器，否则也就是小于 128 字节。那么首先判断落在第几号链表，定位到了，先判断链表是不是空，如果是空就需要充值，（调节到 8 的倍数，默认一次申请 20 个区块，当然了也要判断 20 个是不是能够申请到，如果只申请到一个那就直接返回好了，不止一个的话，把第 2 到第 n 个挨个挂到当前链表上，第一个返回回去给容器用，n 是不大于 20 的，当然了如果不在 1 - 20 之间，那就是内存碎片了，那就先把碎片挂到某一条链表上，然后再重新 malloc 了，malloc 2*20 个块）去内存池去拿或者重新分配。

27. sort 的底层实现

std::sort 主要是三种算法的结合体：插入排序，快速排序，堆排序。

std::sort 根据上文提到的几种算法的优缺点，对排序算法进行整合。

1. 快速排序，递归排序到一定深度后，数据已经被分为多个子区域，子区域里面的数据可能是无序的，但是子区域之间已经是有序了。
2. 在这多个子区域里，如果某个子区域数据个数大于阈值（16），采用堆排序，使得某个子区域内部有序。
3. 剩下的没有被堆排序的小区域，数据量都是小于阈值的，最后整个数据区域采用插入排序。
   
4. std::sort 采用的是分治思维，先采用快速排序，将整个区域分成多个子区域，每个子区域内部根据数据量采用不同算法。
5. 分治后，各个子区域局部有序后再通过整个区域进行排序。

哪些容器可以用 sort 进行排序？

STL 的所有关联型容器都有自动排序的功能（底层结构采取 RB-tree），所以不需要用到这个 sort 算法。
至于序列式容器中的 stack、queue 和 priority-queue 都有特定的出入口，不允许用户对元素进行排序。
剩下的 vector、deque 和 list，前两者的迭代器都属于 RandomAccessIterators，适合使用 sort 算法；list 的迭代器则属于 BidirectionalIterators；不在 STL 标准之列的 slist，其迭代器更属于 ForwardIterator，都不适合使用 sort 算法，如果是要对 list 或者 slist 中的元素进行排序，应该使用他们自己的 member function sort()。

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