Проектирование библиотек

13.10.3 Функции размещения и освобождения

Во всех приведенных примерах память рассматривалась как нечто данное. Однако, обычная функция общего назначения для распределения свободной памяти оказывается до удивления менее эффективной, чем функция размещения специального назначения. Вырожденным случаем таких функций можно считать приведенный пример с размещением в "бесконечной" памяти и с пустой функцией освобождения. В библиотеке могут быть более содержательные функции размещения, и бывает, что с их помощью удается удвоить скорость выполнения программы. Но прежде, чем пытаться с их помощью оптимизировать программу, запустите для нее профилировщик, чтобы выявить накладные расходы, связанные с выделением памяти.

В разделах 5.5.6 и 6.7 было показано как с помощью определения функций X::operator new() и X::operator delete() можно использовать функцию размещения для объектов класса X. Здесь есть определенная трудность. Для двух классов X и Y функции размещения могут быть настолько сходными, что желательно иметь одну такую функцию. Иными словами, желательно иметь в библиотеке такой класс, который предоставляет функции размещения и освобождения, пригодные для размещения объектов данного класса. Если такой класс есть, то функции размещения и освобождения для данного класса получаются за счет привязки к нему общих функций размещения и освобождения:

class X {
   static Pool my_pool;
   // ...
public:
   // ...
  void* operator new(size_t) { return my_pool.alloc(); }
  void operator delete(void* p) { my_pool.free(p); }
};

Pool X::my_pool(sizeof(X));

С помощью класса Pool память распределяется блоками одного размера. В приведенном примере объект my_pool отводит память блоками размером sizeof(X).

Составляется описание класса X и используется Pool с учетом оптимизации скорости программы и компактности представления. Обратите внимание, что размер выделяемых блоков памяти является для класса "встроенным", поэтому задающий размер параметр функции X::operator new() не используется. Используется вариант функции X::operator delete() без параметра. Если класс Y является производным класса X, и sizeof(Y)>sizeof(X), то для класса Y должны быть свои функции размещения и освобождения. Наследование функций класса X приведет к катастрофе. К счастью, задать такие функции для Y очень просто.

Класс Pool предоставляет связанный список элементов требуемого размера. Элементы выделяются из блока памяти фиксированного размера и по мере надобности запрашиваются новые блоки памяти. Элементы группируются большими блоками, чтобы минимизировать число обращений за памятью к функции размещения общего назначения. До тех пор пока не будет уничтожен сам объект PooL, память никогда не возвращается функции размещения общего назначения.

Приведем описание класса Pool:

class Pool {

   struct Link { Link* next; }

   const unsigned esize;
   Link* head;

   Pool(Pool&);            // защита от копирования
   void operator= (Pool&); // защита от копирования
   void grow();
 public:
   Pool(unsigned n);
   ~Pool();

   void* alloc();
   void free(void* b);
 };

 inline void* Pool::alloc()
 {
   if (head==0) grow();
   Link* p = head;
   head = p->next;
   return p;
 }

 inline void Pool::free(void* b)
 {
   Link* p = (Link*) b;
   p->next = head;
   head = p;
 }

Приведенные описания логично поместить в заголовочный файл Pool.h. Следующие определения могут находиться в любом месте программе и завершают наш пример. Объект Pool должен инициализироваться конструктором:

Pool::Pool(unsigned sz)
  : esize(sz)
{
  head = 0;
}

Функция Pool::grow() будет связывать все элементы в список квантов свободной памяти head, образуя из них новый блок. Определения остальных функций-членов оставлены в качестве упражнений 5 и 6 в 13.11.

void Pool::grow()
{
  const int overhead = 12;
  const int chunk_size = 8*1024-overhead;
  const int nelem = (chunk_size-esize)/esize;

  char* start = new char[chunk_size];
  char* last = &start[(nelem-1)*esize];

  for (char* p = start; p<last; p+=esize)
      ((Link*)p)->next = ((Link*)p)+1;
  ((Link*)last)->next = 0;
  head = (Link*)start;
}

13.11 Упражнения

1. (*3) Завершите определения функций-членов класса Type_info.
2. (*3) Предложите такую структуру объекта Type_info, чтобы функция Type_info::get_info() стала лишней, и перепишите с учетом этого функции-члены Type_info.
3. (*2.5) Насколько наглядно вы сможете записать примеры с Dialog_box, не используя макроопределения (а также расширения языка)? Насколько наглядно вам удастся записать их, используя расширения языка?
4. (*4) Исследуйте две широко распространенные библиотеки. Классифицируйте все библиотечные классы, разбив их на: конкретные типы, абстрактные типы, узловые классы, управляющие классы и интерфейсные классы. Используются ли абстрактные узловые классы и конкретные узловые классы? Можно ли предложить более подходящее разбиение классов этих библиотек? Используется ли обширный интерфейс? Какие имеются средства динамической информации о типе (если они есть)? Какова стратегия управления памятью?
5. (*3) Определите шаблонный вариант класса Pool из 13.10.3. Пусть размер выделяемого элемента памяти будет параметром шаблона типа, а не конструктора.
6. (*2.5) Усовершенствуйте шаблон типа Pool из предыдущего упражнения так, чтобы некоторые элементы размещались во время работы конструктора. Сформулируйте в чем будет проблема переносимости, если использовать Pool с типом элементов char, покажите как ее устранить.
7. (*3) Если ваша версия С++ прямо не поддерживает динамические запросы о типе, обратитесь к своей основной библиотеке. Реализован ли там механизм динамических запросов о типе? Если это так, задайте операции из 13.5 как надстройку над этим механизмом.
8. (*2.5) Определите такой строковый класс, в котором нет никакого динамического контроля, и второй производный от него строковый класс, который только проводит динамический контроль и обращается к первому. Укажите плюсы и минусы такого решения по сравнению с решением,в котором делается выборочный динамический контроль, сравните с подходом, использующим инварианты, как было предложено в 12.2.7.1. Насколько можно совмещать эти подходы?
9. (*4) Определите класс Storable как абстрактный базовый класс с виртуальными функциями writeout() и readin(). Для простоты допустим, что для задания нужного адресного пространства достаточно строки символов. С помощью класса Storable реализуйте обмен объектами с диском. Проверьте его на объектах нескольких классов по своему усмотрению.
10. (*4) Определите базовый класс Persistent с операциями save() и nosave(), который будет проверять, что деструктор создал объект в определенной памяти. Какие еще полезные операции можно предложить? Проверьте класс Persistent на нескольких классах по своему выбору. Является ли класс Persistent узловым классом, конкретным или абстрактным типом? Аргументируйте ответ.
11. (*3) Составьте только описание класса stack, который реализует стек с помощью операций create() (создать стек), delete() (уничтожить стек), push() (записать в стек) и pop() (читать из стека). Используйте только статические члены. Для привязки и обозначения стеков определите класс id. Гарантируйте, что пользователь сможет копировать объекты stack::id, но не сможет работать с ними иным способом. Сравните это определение стека с классом stack из 8.2.
12. (*3) Составьте описание класса stack, который является абстрактным типом ( 13.3). Предложите две различные реализации для интерфейса, заданного stack. Напишите небольшую программу, работающую с этими классами. Сравните это решение с классами, определяющими стек, из предыдущего упражнения и из 8.2.
13. (*3) Составьте такое описание класса stack, для которого можно в динамике менять реализацию. Подсказка: "Всякую задачу можно решить, введя еще одну косвенность".
14. (*3.5) Определите класс Oper, содержащий идентификатор (некоторого подходящего типа) и операцию (некоторый указатель на функцию). Определите класс cat_object, содержащий список объектов Oper и объект типа void*. Задайте в классе cat_object операции: add_oper(), которая добавляет объект к списку; remove_oper(id), которая удаляет из списка объект Oper c идентификатором id ; operator() (id,arg), которая вызывает функцию из объекта Oper c идентификатором id. Реализуйте с помощью класса cat_object стек объектов Oper. Напишите небольшую программу, работающую с этими классами.
15. (*3) Определите шаблон типа Object, служащий базовым классом для cat_object. С помощью Object реализуйте стек для объектов класса String. Напишите небольшую программу, использующую этот шаблон типа.
16. (*3) Определите вариант класса Object под именем Class, в котором объекты с одинаковым идентификатором имеют общий список операций. Напишите небольшую программу, использующую этот шаблон типа.
17. (*3) Определите шаблон типа Stack, который задает традиционный и надежный интерфейс со стеком, реализуемым объектом шаблона типа Object. Сравните это определение стека с классами, задающими стек, из предыдущих упражнений. Напишите небольшую программу, использующую этот шаблон типа.