什么是对齐内存分配？

Posted 2023-02-17

【中文标题】什么是对齐内存分配？

【英文标题】：What is aligned memory allocation?

【发布时间】：2010-10-22 05:05:10

【问题描述】：

我也想知道 glibc malloc() 是否这样做。

【问题讨论】：

那不是依赖于目标架构吗？它几乎肯定是对齐的......

【参考方案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

问题在于，在某些 CPU 架构上，从内存中加载 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获取 b 的每一半。

但如果内存布局为：

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

然后访问b 变得简单。 （缺点是需要更多内存，因为填充字节。）

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

C 标准要求malloc 返回一个针对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。

【讨论】：

抱歉，我不明白您所说的“char 通常是 1 字节对齐、short 是 2 字节对齐和 4 字节类型”是什么意思。

@Anni_housie 这只是意味着，大多数系统通常使用 1byte 的内存来存储 char，2bytes 用于存储 short，4bytes 用于 int/float/pointer 等等

或者您可以重新排序结构中的元素，使其首先具有 int，然后是 short，然后是两个字符。这样系统就可以轻松读取它们。

确实，由于成员的对齐方式，结构成员的列出顺序会影响结构的最终大小。

@dan04 感谢您的回答，现在我可以明白为什么在 a 和 b 之间插入 2 个字节的填充。我在某处读到，在您的示例中，在成员 c 之后的末尾还会插入另外 2 个字节的填充以对齐整个结构，为什么需要这样做？

【参考方案2】：

Alignment 要求指定哪些地址偏移可以分配给哪些类型。这完全取决于实现，但通常基于字长。例如，一些 32 位架构要求所有 int 变量以 4 的倍数开始。在某些架构上，对齐要求是绝对的。在其他（例如 x86）上，无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 成功被适当地对齐，以便 它可以分配给指向任何 对象类型，然后用于访问 这样的对象或这样的数组 分配空间中的对象（直到 该空间被显式释放）。

【讨论】：

您提供的链接不好。你能再提供一个吗？那个有多个问题！泰

【参考方案3】：

如果您有特定的内存对齐需求（针对特定硬件或库），您可以查看不可移植的内存分配器，例如 _aligned_malloc() 和 memalign()。这些可以很容易地在“可移植”接口后面抽象出来，但不幸的是它们是非标准的。

【参考方案4】：

malloc() 文档说：

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

这对于您在 C/C++ 中所做的大多数事情都是正确的。但是，正如其他人指出的那样，存在许多特殊情况并需要特定的对齐方式。例如，Intel 处理器支持 256 位类型：__m256，malloc() 肯定不会考虑到这一点。

同样，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），那么您可能需要一个非常大的对齐方式，如果@ 987654326@ 是返回始终与此类边界对齐的缓冲区。

在Linux或其他Unix系统下，建议你使用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功能。