为什么动态分配的内存总是16字节对齐？

Question

我写了一个简单的例子：

#include <iostream>

int main() {
    void* byte1 = ::operator new(1);
    void* byte2 = ::operator new(1);
    void* byte3 = malloc(1);
    std::cout << "byte1: " << byte1 << std::endl;
    std::cout << "byte2: " << byte2 << std::endl;
    std::cout << "byte3: " << byte3 << std::endl;
    return 0;
}

运行示例，我得到以下结果：

字节1：0x1f53e70

字节2：0x1f53e90

字节3：0x1f53eb0

每次我分配一个内存字节时，它总是16个字节对齐。为什么会这样？

我在GCC 5.4.0和GCC 7.4.0上测试了此代码，并得到了相同的结果。

Answer 1

为什么会发生这种情况？

因为标准是这么说的。更具体地说，它表示动态分配¹至少与最大基本²对齐（它可能具有更严格的对齐）对齐。有一个预先定义的宏（因为C ++ 17），只是为了告诉你这保证定位到底是什么目的：__STDCPP_DEFAULT_NEW_ALIGNMENT__。为什么在您的示例中这可能是 16 ......这是语言实现的选择，受目标硬件架构允许的限制。

这是（曾经）一种必要的设计，考虑到（曾经）没有办法将有关所需对齐的信息传递给分配函数（直到 C++17 引入了对齐新语法以分配“过度对齐” “ 记忆）。

malloc对您打算在内存中创建的对象类型一无所知。有人可能认为new理论上可以推断出对齐方式，因为它被赋予了一种类型……但是如果您想为其他具有更严格对齐的对象重用该内存std::vector怎么办，例如在? 一旦您了解了运算符 new: 的 API void* operator new ( std::size_t count )，您就会发现类型或其对齐方式不是可能影响分配对齐方式的参数。

¹由默认分配器或malloc函数族生成。

²最大基本对齐是alignof(std::max_align_t)。没有比这更严格的基本类型（算术类型、指针）。

Answer 2

其实有两个原因。第一个原因是，某些类型的对象有一些对齐要求。通常，这些对齐要求是软性的：未对齐的访问“只是”变慢（可能慢几个数量级）。它们也可能很困难：例如，在 PPC 上，如果向量未与 16 字节对齐，则您根本无法访问内存中的向量。对齐不是可选的，而是分配内存时必须考虑的事情。总是。

请注意，无法指定 的对齐方式malloc()。根本没有理由支持这一点。因此，malloc()必须实现提供一个为平台上的任何目的正确对齐的指针。C++ 中的::operator new()遵循同样的原则。

需要多少对齐完全取决于平台。在 PPC 上，您无法避免少于 16 字节的对齐。X86 在这方面稍微宽松一点，据我所知。

第二个原因是分配器函数的内部工作原理。典型的实现具有至少 2 个指针的分配器开销：每当您从中请求一个字节时，malloc()通常需要为至少两个额外的指针分配空间来进行自己的簿记（确切的数量取决于实现）。在 64 位架构上，这是 16 个字节。因此，以malloc()字节为单位思考是不明智的，以 16 字节块来思考更有效。至少。您可以通过示例代码看到这一点：生成的指针实际上相距 32 个字节。每个内存块占用 16 字节有效负载 + 16 字节内部簿记内存。

由于分配器从内核请求整个内存页（4096 字节，4096 字节对齐！），因此生成的内存块在 64 位平台上自然是 16 字节对齐。提供不太对齐的内存分配根本不切实际。

因此，综合考虑这两个原因，从分配器函数提供严格对齐的内存块既实用又必需。确切的对齐量取决于平台，但通常不会小于两个指针的大小。