Что такое выровненное распределение памяти?

Требования выравнивания определяют, какие смещения адресов могут быть назначены каким типам. Это полностью зависит от реализации, но обычно зависит от размера слова. Например, некоторые 32-битные архитектуры требуют, чтобы все int переменные начинались с числа, кратного четырем. На некоторых архитектурах требования к выравниванию являются абсолютными. В других случаях (например, x86) их игнорирование приводит только к снижению производительности.

malloc требуется для возврата адреса, подходящего для любых требований по выравниванию. Другими словами, возвращаемый адрес может быть назначен указателю любого типа. Из C99 §7.20.3 (функции управления памятью):

Указатель, возвращаемый в случае успешного выделения, выравнивается соответствующим образом, чтобы его можно было назначить указателю на любой тип объекта, а затем использовать для доступа к такому объекту или массиву таких объектов в выделенном пространстве (до тех пор, пока пространство не будет явно освобождено) .

Предположим, у вас есть структура.

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

Без выравнивания он был бы размещен в памяти следующим образом (при условии 32-битной архитектуры):

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

Проблема в том, что на некоторых архитектурах ЦП инструкция по загрузке 4-байтового целого числа из памяти работает только на границах слов. Таким образом, ваша программа должна будет получать каждую половину b с отдельными инструкциями.

Но если бы память была выложена как:

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

Тогда доступ к b становится простым. (Недостатком является то, что требуется больше памяти из-за байтов заполнения.)

У разных типов данных разные требования к выравниванию. Обычно char выравнивается по 1 байту, short - по 2 байта, а 4-байтовые типы (int, float и указатели в 32-разрядных системах) выравниваются по 4 байтам.

Стандарт C требует, чтобы malloc возвращал указатель, который правильно выровнен для любого типа данных.

glibc malloc на x86-64 возвращает указатели с выравниванием по 16 байт.

Если у вас есть особые потребности в выравнивании памяти (для определенного оборудования или библиотек), вы можете воспользоваться непереносимыми распределителями памяти, такими как _ 1_ и _ 2_. Их можно легко абстрагировать за «переносным» интерфейсом, но, к сожалению, они нестандартны.

В документации malloc() говорится:

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

Что верно почти для всего, что вы делаете на C / C ++. Однако, как указывали другие, существует множество особых случаев, требующих особого согласования. Например, процессоры Intel поддерживают 256-битный тип: __m256, который, безусловно, не принимается во внимание malloc().

Точно так же, если вы хотите выделить буфер памяти для данных, которые должны быть выгружены (аналогично адресам, возвращаемым mmap() и т. Д.), Вам понадобится, возможно, очень большое выравнивание, которое будет тратить много памяти, если malloc() должен всегда возвращать буферы выровнен с такими границами.

В Linux или других системах Unix я предлагаю вам использовать функцию posix_memalign():

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

Это самая актуальная функция, которую можно использовать для таких нужд.