Zig 语言圣经

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zig 版本：0.15.1

内存管理 ​

zig 在内存管理方面采取了类似 C 的方案，完全由程序员管理内存，这也是为什么 zig 没有运行时开销的原因，同时这也是为什么 zig 可以在如此多环境（包括实时软件、操作系统内核、嵌入式设备和低延迟服务器）中无缝工作的原因。

事实上，在 C 开发中最难以调试的 bug 往往是由于错误的内存管理引起的，zig 在此基础上给我们提供了少量的保护，但仅仅是少量的保护，这就要求程序员在需要明白数据在内存中真实存在的模样（这就涉及到计算机组成原理和操作系统的理论知识了，当然还涉及到一点点的汇编知识）。

事实上，zig 本身的标准库为我们提供了多种内存分配模型：

  1. DebugAllocator
  2. SmpAllocator
  3. FixedBufferAllocator
  4. ArenaAllocator
  5. c_allocator
  6. page_allocator
  7. StackFallbackAllocator

除了这八种内存分配模型外，还提供了内存池的功能 MemoryPool

你可能对上面的多种内存模型感到很迷惑，C 语言中不就是 malloc 吗，怎么到这里这么多的“模型”，这些模型均有着不同的特点，而且它们之间有一部分还可以叠加使用，zig 在这方面提供了更多的选择，而且不仅仅是这些，你还可以自己尝试实现一个内存模型。

🅿️ 提示

除了这些，还有一些你可能用不到的分配模型：

  • std.testing.FailingAllocator
  • std.testing.allocator
  • std.heap.SbrkAllocator

🅿️ 提示

补充一点，zig 的内存分配并不会自动进行 0 填充，并且 zig 并没有提供 calloc 这种函数，故我们需要手动实现初始化为 0 的操作，不过好在 zig 提供了 std.mem.zeroes 函数，用于直接返回某种类型的 0 值。

DebugAllocator ​

这是一个用于调试的分配器，现阶段适用于在调试模式下使用该分配器，它的性能并不高！

这个分配器的目的不是为了性能，而是为了安全，它支持线程安全，安全检查，检查是否存在泄露等特性，这些特性均可手动配置是否开启。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 使用模型，一定要是变量，不能是常量  var gpa = std.heap.DebugAllocator(.{}){};  // 拿到一个allocator  const allocator = gpa.allocator();   // defer 用于执行debug_allocator善后工作  defer {  // 尝试进行 deinit 操作  const deinit_status = gpa.deinit();   // 检测是否发生内存泄漏  if (deinit_status == .leak) @panic("TEST FAIL");  }   //申请内存  const bytes = try allocator.alloc(u8, 100);  // 延后释放内存  defer allocator.free(bytes); }

SmpAllocator ​

专为 ReleaseFast 优化设计的分配器，启用多线程。

这个分配器是一个单例；它使用全局状态，并且整个过程只应实例化一个。

设计思路：

  1. 每个线程都有独立的空闲列表（freelist），但是当线程退出时，这些数据必须是可回收的。由于我们无法直接得知线程何时退出，所以偶尔需要一个线程尝试回收其他线程的资源。

  2. 超过特定大小的内存分配会直接通过内存映射（memory mapped）实现，且不存储分配元数据。这种机制之所以可行，是因为实现中禁止了将分配从小类别转移到大类别（反之亦然）的大小调整。

  3. 每个分配器操作都会通过线程局部变量检查线程标识符，以确定要访问全局状态中的哪个元数据，并尝试获取其锁。通常情况下，这个操作会在没有竞争的情况下成功，除非另一个线程被分配了相同的 ID。如果发生这种竞争情况，线程会移动到下一个线程元数据槽位并重复尝试获取锁的过程。

  4. 通过将线程局部元数据数组限制为与 CPU 数量相同的大小，确保了随着线程的创建和销毁，它们会循环使用整个空闲列表集合。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 无需任何初始化，拿来就可以使用  const allocator = std.heap.smp_allocator;   //申请内存  const bytes = try allocator.alloc(u8, 100);  // 延后释放内存  defer allocator.free(bytes); }

FixedBufferAllocator ​

这个分配器是固定大小的内存缓冲区，无法扩容，常常在你需要缓冲某些东西时使用，注意默认情况下它不是线程安全的，但是存在着变体 ThreadSafeAllocator，使用 ThreadSafeAllocator 包裹一下它即可。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  var buffer: [1000]u8 = undefined;  // 一块内存区域，传入到fixed buffer中  var fba = std.heap.FixedBufferAllocator.init(&buffer);   // 获取内存allocator  const allocator = fba.allocator();   // 申请内存  const memory = try allocator.alloc(u8, 100);  // 释放内存  defer allocator.free(memory); }
zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  var buffer: [1000]u8 = undefined;  // 一块内存区域，传入到fixed buffer中  var fba = std.heap.FixedBufferAllocator.init(&buffer);   // 获取内存allocator  const allocator = fba.allocator();   // 使用 ThreadSafeAllocator 包裹, 你需要设置使用的内存分配器，还可以配置使用的mutex  var thread_safe_fba = std.heap.ThreadSafeAllocator{ .child_allocator = allocator };   // 获取线程安全的内存allocator  const thread_safe_allocator = thread_safe_fba.allocator();   // 申请内存  const memory = try thread_safe_allocator.alloc(u8, 100);  // 释放内存  defer thread_safe_allocator.free(memory); }

ArenaAllocator ​

这个分配器的特点是你可以多次申请内存，并无需每次用完时进行 free 操作，可以使用 deinit 直接一次回收所有分发出去的内存，如果你的程序是一个命令行程序或者没有什么特别的循环模式，例如 web server 或者游戏事件循环之类的，那么推荐你使用这个。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 使用模型，一定要是变量，不能是常量  var gpa = std.heap.GeneralPurposeAllocator(.{}){};  // 拿到一个allocator  const allocator = gpa.allocator();   // defer 用于执行general_purpose_allocator善后工作  defer {  const deinit_status = gpa.deinit();   if (deinit_status == .leak) @panic("TEST FAIL");  }   // 对通用内存分配器进行一层包裹  var arena = std.heap.ArenaAllocator.init(allocator);   // defer 最后释放内存  defer arena.deinit();   // 获取分配器  const arena_allocator = arena.allocator();   _ = try arena_allocator.alloc(u8, 1);  _ = try arena_allocator.alloc(u8, 10);  _ = try arena_allocator.alloc(u8, 100); }

c_allocator ​

这是纯粹的 C 的 malloc，它会直接尝试调用 C 库的内存分配，使用它需要在 build.zig 中添加上 linkLibC 功能：

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 用起来和 C 一样纯粹  const allocator = std.heap.c_allocator;  const num = try allocator.alloc(u8, 1);  defer allocator.free(num); }

🅿️ 提示

它还有一个变体：raw_c_allocator。

这两者的区别仅仅是 c_allocator 可能会调用 alloc_aligned而不是 malloc ，会优先使用 malloc_usable_size 来进行一些检查。

而 raw_c_allocator 则是完全只使用 malloc。

page_allocator ​

这是最基本的分配器，它仅仅是实现了不同系统的分页申请系统调用。

每次执行分配时，它都会向操作系统申请整个内存页面。单个字节的分配可能会剩下数千的字节无法使用（现代操作系统页大小最小为 4K，但有些系统还支持 2M 和 1G 的页），由于涉及到系统调用，它的速度很慢，但好处是线程安全并且无锁。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  const allocator = std.heap.page_allocator;  const memory = try allocator.alloc(u8, 100);  defer allocator.free(memory); }

StackFallbackAllocator ​

该分配器比较特殊，它会尽量在使用栈上的内存，如果请求的内存量超过了可用的栈空间，那么它将回退到事先制定的分配器，即使用堆内存。

该分配器的目的和内存池类似，都是尽量避免使用堆内存（堆内存相对于栈上分配过慢）。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 初始化一个优先使用栈区的分配器  // 栈区大小为256个字节，如果栈区不够用，就会使用page allocator  var stack_alloc = std.heap.stackFallback(  256 * @sizeOf(u8),  std.heap.page_allocator,  );  // 获取分配器  const stack_allocator = stack_alloc.get();  // 申请内存  const memory = try stack_allocator.alloc(u8, 100);  // 释放内存  defer stack_allocator.free(memory); }

MemoryPool ​

TIP

内存池，也被称为对象池，是一种内存管理策略。在预先分配的内存块（池）中，当程序需要创建新的对象时，它会从池中取出一个已经分配的内存块，而不是直接从操作系统中申请。同样，当对象不再需要时，它的内存会被返回到池中，而不是被释放回操作系统。

内存池的主要优点是提高了内存分配的效率。通过减少使用系统调用（内存分配需要通过系统调用向 os 申请内存），并且预先分配的内存块大小是固定的，所以分配和回收内存的操作可以在常数时间内完成。

此外，由于内存块在物理上是相邻的，因此内存池还可以减少内存碎片。

内存池也有其缺点，例如，如果内存池的大小设置得不合适（太大或太小），则可能会浪费内存或导致内存不足。

zig
const std = @import("std");  pub fn main() !void {  // 此处为了演示，直接使用page allocator  var pool = std.heap.MemoryPool(u32).init(std.heap.page_allocator);  defer pool.deinit();   // 连续申请三个对象  const p1 = try pool.create();  const p2 = try pool.create();  const p3 = try pool.create();   // 回收p2  pool.destroy(p2);  // 再申请一个新的对象  const p4 = try pool.create();   // 注意，此时p2和p4指向同一块内存  _ = p1;  _ = p3;  _ = p4; }

除了基本的分配，内存池还支持预分配和指针对齐设置等，源代码可以参考这里memory_pool.zig，它的实现很巧妙，值得一看。

这里有一篇关于最初这个内存池是如何实现的文章：Cool Zig Patterns - Gotta alloc fast

实现内存分配器 ​

待添加，当前你可以通过实现 Allocator 接口来实现自己的分配器。为了做到这一点，必须仔细阅读 std/mem.zig 中的文档注释，然后提供 allocFn 和 resizeFn。

有许多分配器示例可供查看以获取灵感。查看 std/heap.zig 和 std.heap.DebugAllocator