多态内存资源（std::pmr）¶

标准	难度	状态	分级	证据	审阅	最后校验
C++17	4/5	final	A	3 条（manual 3）	单审（zyuhao7）	2026-10-26

编译器支持：GCC 9.1+ · Clang 16+ · MSVC 19.13+。版本查询：cppreference 编译器支持。

主张与证据¶

主张	支持证据
实现 std::pmr::memory_resource 子类，用 cudaMallocHost 提供固定页内存	ev-stdexec-pmr-pinned-resource-001
用同一个 memory_resource 接口封装 cudaMalloc 的设备内存	ev-stdexec-pmr-gpu-resource-002
让单调缓冲资源按块向上游 memory_resource 申请内存	ev-stdexec-pmr-monotonic-upstream-003

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解决什么问题¶

传统分配器是容器类型的一部分：std::vector<int, MyAlloc> 和 std::vector<int> 是不同类型。想按运行时条件选择内存来源，只能把分配器类型一路模板化，或者用类型擦除包一层。前者让类型签名膨胀，后者要自己管理生命周期。

std::pmr 把分配策略从类型参数移到运行时对象。容器统一使用 std::pmr::polymorphic_allocator<T>，其中只保存一个 std::pmr::memory_resource*；这个指针指向真正的分配器，可以是默认的 new/delete、单调缓冲区、内存池或用户自定义资源。同一个 std::pmr::vector<int> 类型可以在不同资源上实例化。标准提案为 P0220R1。

基础用法¶

memory_resource 的派生类覆盖 do_allocate、do_deallocate 和 do_is_equal，容器通过资源分配对象。

#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <memory_resource>
#include <new>
#include <string>
#include <vector>

int main() {
  std::byte buffer[1024];
  std::pmr::monotonic_buffer_resource pool(buffer, sizeof(buffer));

  std::pmr::vector<int> values(&pool);
  for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    values.push_back(i * i);
  }

  int sum = 0;
  for (int value : values) {
    sum += value;
  }

  std::pmr::string text("atlas", &pool);

  std::pmr::polymorphic_allocator<int> alloc(&pool);
  int* raw = alloc.allocate(1);
  new (raw) int(7);

  std::cout << values.size() << ' ' << sum << ' ' << *raw << '\n';
  std::cout << text << ' ' << text.size() << ' '
            << (values.get_allocator().resource() == &pool) << '\n';
}

输出 5 30 7 与 atlas 5 1。示例用栈上缓冲区初始化 monotonic_buffer_resource，让 pmr::vector、pmr::string 和直接分配都从同一个池取内存；get_allocator().resource() 确认容器仍绑定到该池。完整版本见 examples/cpp17/pmr.cpp。

标准库提供几种现成资源：new_delete_resource() 与 null_memory_resource()、按块分配且不单独回收的 monotonic_buffer_resource、面向重复块大小的 unsynchronized_pool_resource 和 synchronized_pool_resource。get_default_resource() 返回进程默认资源，std::pmr::vector<T> 不传资源时就使用它。

进阶用法¶

自定义资源只需实现三个虚函数。do_allocate 返回满足对齐的存储，失败时抛 std::bad_alloc；do_deallocate 只能接收本资源此前分配的内存；do_is_equal 定义两个资源何时可以互相释放对方分配的内存。资源相同或 is_equal 为真时，内存才能跨容器转移。

monotonic_buffer_resource 适合短生命周期、批量释放的场景：可以给它一块初始栈缓冲区，用完后向 upstream 资源继续申请块，但不会逐个回收，直到资源析构。解析器、请求处理、编译器前端常把它当作用户态 arena。

嵌套容器会传播资源。std::pmr::vector<std::pmr::string> 的元素在构造时通过 polymorphic_allocator 的传播规则获得同一资源，不需要为每个元素手工传参。这个机制依赖元素类型支持 uses_allocator 构造。

资源相等性影响所有权。两个 polymorphic_allocator 比较相等，当且仅当它们持有相同资源或 do_is_equal 返回真；容器移动、交换和 deallocate 都按这个规则检查。自定义资源若按地址比较，就要保证同一份内存在同一资源对象上释放。

真实项目证据¶

项目	位置	用法	为什么典型
stdexec	`include/nvexec/detail/memory.cuh#L146-L160`	`pinned_resource` 继承 `std::pmr::memory_resource`，用 `cudaMallocHost` 分配固定页内存	自定义资源把设备 API 接到标准分配接口
stdexec	`include/nvexec/detail/memory.cuh#L177-L191`	`gpu_resource` 用 `cudaMalloc` 分配设备内存	同一抽象覆盖主机、固定页与设备内存
stdexec	`include/nvexec/detail/memory.cuh#L252-L260`	`monotonic_buffer_resource` 的构造函数向 `upstream->allocate` 取首块	资源组合：单调分配器只负责块管理，底层来源可替换

三条证据均为 manual 级：作者复核，尚未引入第二名审核者。三处都在 stdexec 的 CUDA 后端中，说明 pmr 不只用于主机内存，也能把 GPU 分配器接入同一套容器接口。

陷阱与边界¶

资源必须比容器活得久。 容器只保存 memory_resource*，不拥有资源。函数返回一个使用局部资源的容器，或静态容器引用已销毁的静态资源，都会产生悬空指针。

释放必须回到等价资源。 deallocate 要求资源相同或 is_equal 为真。跨资源传递容器内容前先确认相等性，否则析构时可能把内存还给错误的分配器。

monotonic_buffer_resource 不逐个释放。 每次 deallocate 都是空操作，内存只在资源析构时统一归还。长时间运行、反复增长的循环里直接使用会持续占用内存。

每次都多一次虚调用。 polymorphic_allocator 通过虚函数分配和释放，还多存一个指针。分配极其频繁且类型固定的热路径，普通模板分配器可能更合适。

并非所有容器都有 pmr 别名。 std::pmr 为常用顺序、关联、无序容器和 basic_string 提供别名，其他容器要显式写 polymorphic_allocator。std::pmr::vector<int> 与 std::vector<int> 仍是不同类型，接口边界上要么模板化，要么转换。

默认资源是进程级的。 set_default_resource 改变的是全局状态，多线程同时设置会产生竞争；已经创建的容器不会自动切换资源。

跨 ABI 边界要谨慎。 资源通过虚函数调用分配，动态库两侧必须共享同一套 memory_resource 布局和分配约定；跨编译器或跨标准库版本传递 pmr 容器通常不安全。

库联动¶

stdexec：CUDA 后端用 pmr 资源统一主机固定页、设备内存和托管内存，容器与执行器共享同一分配接口。
标准容器与字符串：std::pmr::vector、std::pmr::string、std::pmr::unordered_map 等别名直接接受资源指针。
arena 模式：请求处理、解析和编译器前端用 monotonic_buffer_resource 把大量小分配合并成块分配，结束时一次性释放。
内存池：unsynchronized_pool_resource 适合单线程重复分配同一尺寸；跨线程共享时换 synchronized_pool_resource。
自定义设备分配器：GPU、共享内存或持久化存储都可实现为 memory_resource 子类，再交给标准容器使用。

横向对比¶

方案	分配器类型进入容器类型	运行时切换资源	释放粒度	主要代价
标准模板分配器	是	否	逐对象	类型签名膨胀，组合困难
`std::pmr`	否	是	由资源决定	每次分配一次虚调用，多一个指针
`monotonic_buffer_resource`	否	是	整块释放	不能逐个回收，内存会持续增长
重载全局 `operator new`	否	全局	全局	影响整个进程，难以按模块隔离

跨标准演进：C++17 通过 P0220R1 引入 <memory_resource> 与 pmr 别名；它把分配策略从编译期类型参数转成运行期对象，代价是间接调用和显式的资源生命周期管理。