鉴于 C++ 标准库并没有提供侵入式容器供我们使用,这里只简单梳理一下侵入式容器的特性。

最简单的侵入式容器

先看一个最简单的示例:list_head

struct list_head {
    list_head *prev, *next;
};

这是 Linux 提供的内核链表,一个最简化的侵入式容器。

可以与非侵入式 STL 风格的实现对比一下。

template <typename Tp>
struct ListNode {
    ListNode *prev, *next;
    Tp value;
    // ...
};

相比于 STL 风格的区别,可以看出 list_head 不维护 value。使用的话是这种画风:

struct Foo {
    int value;
    list_head link; // 指向另外两个 Foo 类的的 list_head link
};

// 区别于
ListNode<int> bar; // 可以指向另外的&ListNode<int>

这就是侵入式容器的全部区别了吗?我们再琢磨一下。

泛型支持

非侵入式的 ListNode 对于不同类型的 value,需要提供真正意义上不一样的类型 ListNode<T>

但是 list_head 并不需要维护多余的泛型 typenamelist_head 就是任意类型兼容的容器。

ListNode<FoOO> n1;
ListNode<Foooo> n2;

也许对于 C++ 并没什么,但是对于不支持泛型的语言来说这种设计绝对是个优势。

另外从生成的实例类型来说,也可带来编译成本的减小。

NOTE: 并不是说所有侵入式容器就会抛弃泛型,像 boost::intrusive 套餐就还是得带上 typename

空间分配

STL 的容器都是搭上 allocator 来维护内部 element 的分配/销毁。大部分情况来说,它就是一个 new + ctor 的解耦与抽象,问题就是 new,不管怎样,它只有一种选择,看下面例子:

template <typename Tp, typename Allocator>
struct List {
    ListNode<Tp> *mData; // 由 Allocator 分配
    // ...
};

大部分情况下,不管 List 是放在堆还是栈,mData 分配的基本只能是在堆上,你没有选择的余地,因为 allocator 不能运行时更改,它的策略已经是编译时决定好了。

相比之下,list_head 是如何分配的,完全取决(绑定)于调用方 FOooOoO,可以直接在栈上分配,也可以一并 new FOooOoO 放到堆上:

struct FOooOoO {
    std::string name;
    int uid;
    list_head link;
};
auto pf1 = new FOooOoO(/*...*/);
FOooOoO f2(/*...*/);

分离的地址

前面提到 new 分配的问题,非侵入式容器也有缺点,它们可能会至少 new 两次。考虑 new List 过程:

auto pList = new List<int>(/*size*/1, /*value*/ 100);

由于内部 mData 是额外分配的,因此 &pListpList.mData 指向是分离的。

这有什么问题?这样并不容易利用 cacheline

至于 list_head 是不需要考虑这些问题,空间本身是与调用方连续的。

补充:并非如此

难道这个缺点,非侵入永远没法克服吗?

不是的,可以看下智能指针 std::make_shared 过程如何处理这种分离的分配问题,它可以做到 Tp 和引用计数块绑定在一起连续分配,当然这很需要技巧性。

引用计数老问题

前面提到智能指针,那就顺便提一个非侵入式智能指针的经典错误:

auto pValue = new F00(/*...*/);
std::shared_ptr<F00> p1(pValue);
std::shared_ptr<F00> p2(pValue); // oops

原因在于引用计数块是在 std::shared_ptr 容器内部的,与 pValue 完全独立,因此会有两个引用计数块来处理同一个值引起错误的 RAII。

那么侵入式的智能指针会有这个问题吗?

boost::intrusive_ptr 使用是这样的,它把引用计数与内部实现绑定在一起:

struct FoOo: public boost::intrusive_ptr_base<FoOo> { // 含有引用计数 ref_count
    int age;
    std::string name;
};

auto pValue = new FoOo();
boost::intrusive_ptr<FoOo> p1(pValue);
boost::intrusive_ptr<FoOo> p2(pValue); // 由同一个来自 pValue 的 refcount 来维护

容易看出,侵入式智能指针是通过绑定到 FoOo 内部的 refcount 来实现正确的引用计数。

抽象与复用

侵入式容器在抽象与复用的层面上是有显然的不足的。

考虑一下,如何用 list_head 表示出 list of list of list 的数据结构。

非侵入式只需要 list<list<list<Tp>>> 就足够了。

对于复用,这是最突出的问题,每个实现都要写一份才像样,侵入式容器最多能做到这种程度:

class Type: public IntrusiveContainer {
    // ...
};

能不能给力点,也许 mixin 可以吧……

template <typename ...Ts>
class Mixin: public Ts... {};
// Mixin<Type, IntrusiveContainer> fOoooo;

总结

合适的时机使用合适的容器,多一种选择是件好事。

简单来说,侵入式容器的独特设计可以带来以下特性:

  1. 数据结构拥有更加紧凑的内存布局,且灵活的分配与更加受控的生命周期都更易于提高性能。
  2. 虽然在类型表达能力与非侵入相比有所不足,但是可以与具体类型解耦。
  3. 更易于实现本身依赖于具体类型的特性。