C++11 中的动态对齐内存分配答案

【问题标题】：Dynamic aligned memory allocation in C++11C++11 中的动态对齐内存分配
【发布时间】：2011-08-07 16:18:48
【问题描述】：

Windows 上的posix_memalign 和_aligned_malloc 允许动态分配对齐的内存块。 C ++ 11中有类似的东西吗？据我所知，alignas 关键字仅适用于静态分配的对象。

【问题讨论】：

对齐是指顺序吗？如果是，则使用new 运算符和[] 组合分配的内存是动态对齐的。
@Blindy：我不会说“相反”。更像“正交”？
对齐是指地址模指定值为零。例如调用 posix_memalign(&ptr, 32, 1000) 保证在 ptr 中返回的地址可以被 32 整除。我需要它来在缓存行边界分配对象以避免错误共享。
恐怕没有标准的 C++ 分配器支持任意对齐。您必须使用特定于平台的分配 API。但是，如果您将它与我给您的构造函数/析构函数的任意内存示例结合使用，这应该不是什么大问题。
C++17 将添加为动态分配的对象指定“自定义”/过度对齐的功能：open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2012/n3396.htm 最佳答案中提到的这个提议已被即将发布的标准接受。跨度>

标签： c++ c++11

【解决方案1】：

这取决于您需要什么对齐方式。对于 alignof(std::max_align_t) 的任何内容，new 按照 n3242 3.7.4.1/2 工作：

返回的指针应适当对齐，以便它可以转换为具有基本的任何完整对象类型的指针对齐要求

std::max_align_t 是一个完整的对象类型，具有最严格的基本对齐方式。

请注意，char 或 unsigned char 而不是 signed char 的数组分配在 5.3.4/10 中有不同的规则：

对于 char 和 unsigned char 的数组，结果之间的差异新表达式和分配返回的地址函数应是最严格基本函数的整数倍大小为 no 的任何对象类型的对齐要求 (3.11) 大于正在创建的数组的大小。

所以new char[1]; 的对齐方式可以是 1。

至于分配对齐大于alignof(std::max_align_t) 的内存，C++11 没有提供直接的方法来做到这一点。唯一可靠的方法是至少分配size + alignment 字节并使用std::align 在此缓冲区中获得正确对齐的位置。

这会浪费大量内存，因此如果您需要大量内存，您可以创建一个分配器，为所有内存分配足够大的块并在其上使用 std::align。然后，您的开销将在所有分配中摊销。

您的另一个选择是等待http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2012/n3396.htm 使其成为标准。

就我个人而言，我只会在操作系统提供的 API 上编写一个抽象层来分配对齐的内存。

【讨论】：

【解决方案2】：

您可以使用 posix_memalign/_aligned_malloc 分配一块内存，然后使用特殊的“new”运算符语法来初始化该内存区域中的对象。像这样的：

// Allocate raw memory for a Foo object.
void *mem;
size_t alignment = 0x1000;
size_t size = ?;
posix_memalign(&mem, alignment, size);
// Call the constructor on the allocated memory.
Foo *foo = new (mem) Foo(...);

// Now you have a useable object.
foo->some_method();

// Call destructor without freeing object memory.
foo->~Foo();
// Free raw memory.
free(foo);

【讨论】：

谢谢，对。我想知道的是 C++11 中是否有 posix_memalign 和 _aligned_malloc 的可移植替代品？
根据标准malloc 和new 应该可以工作。 _aligned_malloc 是因为 MS/Intel 引入了过度对齐的类型并遇到了问题。而不是修复malloc，并冒着破坏旧代码的风险，我们得到了_aligned_malloc。
malloc 不支持 在任意大小上对齐，这可能是 user882903 想要的。

【解决方案3】：

看看std::aligned_storage 和alignas() 运算符。它们是 C++11 的一部分，似乎正是您正在寻找的。p>

【讨论】：

30.9.7.6p2：“是否支持任何扩展对齐由实现定义”参考std::aligned_storage。所以这也不是便携式的。
Stativ_Assert 所需的对齐可用。

【解决方案4】：

C++03 和 C++0x 有operator new。

new T 或 new T[] 保证为 T 类型的对象返回正确对齐的内存。

new char[]、new signed char[] 和 new unsigned char[] 保证为 any 对象返回正确对齐的内存，以便您可以在其上使用新位置。

【讨论】：

这些不适用于“任何”对象。例如，一个必须在页面边界分配的对象：当然没有 C++ 实现将所有分配对齐到 4096 字节边界。它保证支持任何标准的 C++ 原始类型（双精度通常是最严格的类型），但 PC 上的大多数编译器/运行时不支持对齐 SSE 类型的对齐要求（例如 16 字节对齐）。运算符 new 不对其所使用的类型进行对齐（或者实际上是任何元数据）这一事实是该语言的一个巨大缺陷。
标准实际上所说的是“任何具有基本对齐要求的对象类型”，它肯定不符合 ANY 对象。
@SeanMiddleditch：实际上，它至少是任何内置类型。对于支持的最小对齐方式，请检查std::max_align_t 类型，因为std::malloc 保证返回至少与该对齐方式对齐的内存。实现可以随意返回更高的对齐方式。

【解决方案5】：

对于在堆上分配的对齐内存，我使用来自http://code.google.com/p/c-plus/source/browse/src/util.h#57 的 align() 实现，因为我的 gcc4.8 似乎不支持它。这是一个示例代码：

typedef float TItem;
static const int SIZE = 100;
static const int ALIGNMENT = 16;

// allocate heap storage larger then SIZE
TItem* storage = new TItem[SIZE + (ALIGNMENT / sizeof(TItem))];
void* storage_ptr = (void*)storage;
size_t storage_size = sizeof(TItem) * (SIZE + 1);
// aligned_array should be properly aligned
TItem* aligned_array = (TItem*) align(MEM_ALIGNMENT, sizeof(TItem) * SIZE, storage_ptr, storage_size);
if (!aligned_array) { throw std::bad_alloc(); }

【讨论】：

【解决方案6】：

英特尔的TBB 提供了一个便携式cache_aligned_allocator，我认为您可能正在寻找它。

【讨论】：

【解决方案7】：

C++ 标准始终保证从堆分配中任何对象的适当对齐 - 即，

template<typename T> T* func() {
    char* buf = new char[sizeof(T)];
    return new(buf) T();
}

保证不会因为对齐原因而失败。

【讨论】：

大声笑，我们在同一秒回答了完全相同的问题 :)
对不起，我认为我的问题不够精确。我想像 posix_memalign 一样明确指定边界。问的原因是我想在不同的缓存行分配小对象以避免错误共享。
我不相信你能做到。您可以手动填充大小并分配更大的结构。
这个答案是错误的，分配函数只支持对齐要求不比alignof(std::max_align_t)更严格的对象。请参见 3.7.4.1p2（或 5.3.4p10）和 3.11p2。也就是说，对象必须具有“基本对齐”。