필요 사전 지식: C++, STL Container에 대한 간단한 지식

개요 #

Allocator란 메모리 관리(할당, 해제, 생성, 소멸)을 위한 캡슐화 전략 개체입니다. 모든 표준 라이브러리 컴포넌트들의 메모리 관리는 Allocator를 통해서 이뤄집니다.

Allocator는 대부분에 경우에는 기본으로 제공하는 Allocator를 사용하는 것이 일반적입니다. 하지만 정교하게 표준 컨테이너들의 메모리 관리를 제어해야하는 경우 사용자가 직접 지정할 수 있게 해줍니다.

Allocator의 동작 방식 #

Allocator는 다음과 같은 네 가지 책임을 갖습니다.

1. 메모리 할당 (allocate)
2. 메모리 해제 (deallocate)

그외.

• 개체 생성 (construct) C++20에서 제거되었습니다..
• 개체 파괴 (destroy) C++20까지 제거되었습니다.

template <typename T>
struct MyAllocator {
    using value_type = T;

    T* allocate(std::size_t n);
    void deallocate(T* p, std::size_t n);
};

기본적인 인터페이스 구조입니다. value_type을 명시적으로 선언해야 합니다.

std::vector<int, std::allocator<int>> vec;

vector의 allocator를 명시하려면 두번째 템플릿 인자에 명시하면 됩니다.

#include <cstdlib>
#include <memory>
#include <vector>

template <typename T>
class MallocAllocator {
public:
    using value_type = T;

    MallocAllocator() = default;

    T* allocate(std::size_t n) {
        if (auto ptr = static_cast<T*>(std::malloc(n * sizeof(T)))) {
            return ptr;
        }
        throw std::bad_alloc();
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t) {
        std::free(ptr);
    }
};

template<typename T>
using MallocVector = std::vector<T, MallocAllocator<T>>;

간단한 malloc 기반 Allocator 예제입니다.

allocator_traits #

allocator_traits는 맴버 함수들을 보완해주는 중간 인터페이스 레이어입니다. 이를 통해 다양한 allocator 버전에 대응할 수 있는 유연한 구조를 제공합니다.

template<typename T, typename Alloc = std::allocator<T>>
class MyContainer {
    Alloc alloc;
public:
    void foo() {
        T* p = std::allocator_traits<Alloc>::allocate(alloc, 1);
    }
};

allocator의 allocate() 대신 std::allocator_traits<Alloc>::allocate()를 호출하게 됩니다.

rebind #

rebind는 Allocator가 원래 타입이 아닌 다른 타입에 대해서도 동작할 수 있도록 만드는 구조입니다.

테이너는 내부 하나의 타입만 사용하는 게 아니라, 노드, 링크드 리스트 등 다양한 내부 타입에 대해 메모리를 할당해야 합니다. 하지만 std::allocator<T>는 오직 T만 다룰 수 있고 그래서 U에 대해 재정의된 할당자가 필요하고, 그걸 만들어주는 게 rebind<U>::other입니다.

template<typename T>
struct MyAllocator {
    using value_type = T;

    template<typename U>
    struct rebind {
        using other = MyAllocator<U>;
    };
};

위와 같은 정의가 있을 때

typename MyAllocator<int>::rebind<double>::other

MyAllocator는 자동으로 MyAllocator 타입이 됩니다.

rebind는 STL 내부에서 다양한 타입의 메모리를 할당해야 할 때 적절한 타입의 할당자를 꺼내 사용합니다.

기존(C++20이전)에는 rebind를 직접 정의해야 했지만, allocator_traits을 통해 rebind를 정의합니다. allocator_traits의 rebind 템플릿 별칭 맴버는 다음과 같습니다.

• rebind_alloc<T> : 컨테이너 내부에서 Node, T, Pair<K, V> 등 다른 타입 할당자가 필요할 때 사용합니다.
• rebind_traits<T> : 라이브러리 구현자가 traits 연산을 반복적으로 쓰고 싶을 때 상요합니다. (std::allocator_traits<rebind_alloc<T>>)

Allocator에 대한 더 많은 내용들은 Memory resources에서 더 알아보겠습니다.

참고 자료: https://cppreference.com/w/cpp/memory.html#Memory_resources