函数包装器中的堆栈分配/函数中的分配

Question

我正在寻找一种将堆栈分配包装在抽象数据类型中的方法。例如，我想要一个可以通过堆栈上的分配严格工作的向量。当然，我最大的障碍是 alloca 只能在当前堆栈框架内工作 - 因此我没有看到将其包装到函数中的简单方法。

到目前为止，我认为做到这一点的唯一方法是使用类似宏的函数，这些函数保证被编译到给定的堆栈帧中。我不喜欢这种方法，因为它不像人们希望的那样类型友好，并且需要比预期更详细的命名。

无论如何，我可以得到一个函数来在其调用者堆栈上分配吗？我知道这通常会破坏立即调用堆栈，因此很可能该函数也必须以某种方式强制内联。我不清楚我有什么选择，所以我正在寻找一些想法，或指向可能的选择的指示。

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注释：

最终目标是类似 std::vector 的东西，它严格在直接函数堆栈上工作。显然它只会作为 const 对象传递给被调用者，并且它的生命随着函数的结束而结束。

C 方法很好，只要它比我的基于宏的方法更好。虽然一些支持宏也是可以接受的。

我知道这是一个相当具体的优化，最好我希望能够（使用标志）打开/关闭它（仅使用普通的 std::vector 进行调试）。它会给我们代码的重要部分带来轻微的速度提升，但可能不足以证明通过太多奇怪的结构使其不可读。

答案：很可能这是不可能的，只有宏观方法才有效。

Answer 1

你不能。
当函数返回时，其堆栈被展开，堆栈指针返回到之前的位置。如果你不想造成真正的混乱，就必须这么做。 alloca 所做的只是移动堆栈指针，因此函数返回会撤消此分配。
宏会起作用，因为它们只是将代码添加到同一函数中。但它会很丑陋，没有真正的改进希望。

Answer 2

下面是一个用于分配栈上数组的示例宏，它通过辅助内联函数尽可能地利用 C++ 类型安全性和编译时检查：

#include <type_traits>
#include <alloca.h>

namespace Utils {

// A wrapper for alloca which allocates an array of default-constructible, trivially-destructible objects on the stack
#define ALLOC_ON_STACK_ARRAY(T, nMembers) \
        ::Utils::InitArrayOfTriviallyDestructibles<T>(alloca(sizeof(T) * nMembers), size_t(nMembers))

// Helper function for ALLOC_ON_STACK_ARRAY() defined above. Initialize a block of memory as an array.
template <typename T>
inline T* InitArrayOfTriviallyDestructibles(void* p, size_t nMembers)
{
        static_assert(std::is_trivially_destructible<T>::value, "The type is not trivially destructible");
        return new (p) T[nMembers] {};
}

} // namespace Utils

Answer 3

使用堆栈分配的主要好处可能是绕过标准库 malloc/new 分配器。从这个角度来看，使用堆栈并不是唯一的选择。

堆栈分配的一种替代方法是使用基于 mmap() 系统调用的自定义内存分配器。 mmap() 分配的内存可以用作自定义分配器的存储，而不是堆栈。为了避免经常调用 mmap()，由 mmap() 分配的内存区域应该被缓存，例如在全局线程特定变量中。

Answer 4

当然，我最大的障碍是 alloca 仅在当前堆栈框架内工作 - 因此我没有看到将其包装到函数中的简单方法。

好吧，如果您只需要分配一次（也就是说，如果您有一个始终足够的最大容量），您可以在默认参数中调用 alloca ：

template<typename T, size_t Capacity>
class stack_vector
{
    T* start_;
    size_t size_;

public:

    explicit stack_vector(void* memory = alloca(sizeof(T) * Capacity))
    {
        start_ = static_cast<T*>(memory);
        size_ = 0;
    }
};

Answer 5

您始终可以实现自己的自定义分配器，该分配器与线程堆栈一样高效。根据我的经验，alloca 可能非常危险，如果隐藏在某些 C++ 类层次结构中（即在 for 循环中），很容易就会破坏堆栈。

Answer 6

堆栈实际上不太适合容器类使用的分配类型。例如，当向量需要扩展其容量时，它很可能会分配一个新的存储区域，复制现有的项目（因此 C++ 对容器中使用的对象的复制和默认构造函数有要求） ，并释放原来的存储空间。不用说，这对基于堆栈的存储造成了严重破坏，在函数退出之前堆栈无法释放。 （vector 可以在不进行复制的情况下就地扩展capacity 的唯一方法是使用 realloc 函数，该函数在 C++ 中没有等效项，最重要的是你，没有 alloca 等价物。）

此外，alloca 只真正适用于 C++ 中的 POD 类型，而容器绝对不能。

编辑： 这个问题的答案部分解决了问题：它从堆栈中为向量分配初始存储，但如果需要更多容量，则从堆中分配。