什么是对齐内存分配？

Question

我还想知道 glibc malloc() 是否这样做。

Answer 1

假设你有这个结构。

struct S {
    short a;
    int b;
    char c, d;
};

如果没有对齐，它将像这样在内存中布局（假设是 32 位架构）：

 0 1 2 3 4 5 6 7
|a|a|b|b|b|b|c|d|  bytes
|       |       |  words

问题是，在某些 CPU 架构上，从内存加载 4 字节整数的指令仅适用于字边界。因此，您的程序必须使用单独的指令来获取 b 的每一半。

但如果内存布局如下：

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B
|a|a| | |b|b|b|b|c|d| | |
|       |       |       |

那么对 b 的访问就变得简单了。 （缺点是由于填充字节而需要更多内存。）

不同的数据类型有不同的对齐要求。通常 char 是 1 字节对齐，short 是 2 字节对齐，而 4 字节类型（int、>float，以及 32 位系统上的指针）为 4 字节对齐。

C 标准要求 malloc 返回一个与任何数据类型正确对齐的指针。

x86-64 上的 glibc malloc 返回 16 字节对齐的指针。

Answer 2

对齐要求指定可以将哪些地址偏移分配给哪些类型。这完全取决于实现，但通常基于字大小。例如，某些 32 位体系结构要求所有 int 变量都以 4 的倍数开头。在某些架构上，对齐要求是绝对的。在其他系统（例如 x86）上，藐视它们只会带来性能损失。

malloc 需要返回适合任何对齐要求的地址。换句话说，返回的地址可以分配给任何类型的指针。来自 C99 §7.20.3（内存管理功能）：

分配时返回的指针
成功是适当对齐的，以便
它可以被分配给一个指向任何
对象的类型，然后用于访问
这样的对象或这样的数组
分配的空间中的对象（直到
空间被显式释放）。

Answer 3

如果您有特定的内存对齐需求（针对特定的硬件或库），您可以查看非便携式内存分配器，例如 _aligned_malloc() 和 memalign()。这些可以很容易地抽象为“可移植”接口，但不幸的是它们是非标准的。

Answer 4

malloc() 文档说：

[...] the allocated memory that is suitably aligned for any kind of variable.

对于您在 C/C++ 中所做的大多数事情来说都是如此。然而，正如其他人指出的那样，存在许多特殊情况并且需要特定的调整。例如，Intel 处理器支持 256 位类型：__m256，malloc() 肯定不会考虑这一点。

类似地，如果您想为要分页的数据分配内存缓冲区（类似于 mmap() 返回的地址等），那么您可能需要非常大的对齐，这会浪费很多如果 malloc() 要返回始终与此类边界对齐的缓冲区，则需要占用内存。

在 Linux 或其他 Unix 系统下，我建议您使用 posix_memalign() 函数：

int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);

这是满足此类需求的最新函数。

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附带说明一下，您仍然可以使用 malloc()，只是在这种情况下您需要分配 size +alignment - 1 字节并在返回的指针上进行自己的对齐: (ptr + 对齐 - 1) & -alignment（未经测试，所有类型转换均丢失）。此外，对齐的指针不是您用来调用 free() 的指针。换句话说，您必须存储 malloc() 返回的指针才能正确调用 free()。如上所述，这意味着每个这样的 malloc() 最多会丢失 alignment - 1 字节。相反， posix_memalign() 函数不应丢失超过 sizeof(void*) * 4 - 1 字节，尽管由于您的大小可能是对齐的倍数，所以您只会丢失 sizeof(void*) * 2...除非您只分配此类缓冲区，否则每次都会丢失完整的 alignment 字节。