malloc 对内存对齐有哪些保证？

Question

我遇到了以下代码：

int main()
{
    char *A=(char *)malloc(20);
    char *B=(char *)malloc(10);
    char *C=(char *)malloc(10);
    printf("\n%d",A);
    printf("\t%d",B);
    printf("\t%d\n",C);
    return 0;
}  
//output--   152928264     152928288    152928304

我想知道

malloc()

是如何进行分配和填充的。查看输出，可以看到起始地址是 8 的倍数。还有其他规则吗？

Answer 1

根据此文档页面，

GNU 系统中 malloc 或 realloc 返回的块地址始终是 8 的倍数（在 64 位系统上是 16）。

一般来说，

malloc

的实现是特定于系统的。它们都为自己的簿记保留了一些内存（例如分配块的实际长度），以便在您调用

free

时能够正确释放该内存。如果需要对齐到特定边界，请使用其他函数，例如

posix_memalign

。

Answer 2

C 标准规定

malloc()

的结果必须能够转换为任何合法的指针类型。所以

... = (DataType *)malloc(...);

一定是可能的，无论

DataType

是什么类型。

如果系统对某些数据类型有内存对齐要求，则

malloc()

必须考虑到这一点。由于

malloc()

无法知道要将结果转换为哪种指针类型，因此它始终必须遵循最严格的内存对齐要求。

标准中原来的写法是：

如果分配成功，则返回的指针会被适当对齐，以便可以将其分配给指向具有基本对齐要求的任何类型对象的指针，然后用于访问分配的空间中的此类对象或此类对象的数组（直到空间被显式释放）。

来源：ISO/IEC 9899:201x（又名 ISO C11）

例如如果系统要求

int

为 4 字节对齐且

long

为 8 字节对齐，则

malloc()

必须返回 8 字节对齐的内存，因为它无法知道您是否要将结果转换为

int *

或

long *

。

理论上，如果您请求的字节数少于

sizeof(long)

，则转换为

long *

是无效的，因为

long

甚至不适合该内存。人们可能会认为在这种情况下

malloc()

可以选择较小的对齐方式，但这不是标准所说的。标准中的对齐要求并不取决于分配的大小！

由于许多 CPU 以及许多操作系统确实有对齐要求，因此大多数 malloc 实现将始终返回对齐的内存，但它遵循的对齐规则是特定于系统的。还有一些 CPU 和系统没有对齐要求，在这种情况下

malloc()

也可能返回未对齐的内存。

如果您依赖于特定的对齐方式，则可以使用

aligned_alloc()

，它是在 ISO C11 标准中定义的，因此可移植到存在 C11 编译器的所有系统，或者您可以使用

posix_memalign()

，它是定义的符合 IEEE Std 1003.1-2001（又名 POSIX 2001），可用于所有符合 POSIX 的系统以及尽可能符合 POSIX 的系统（例如 Linux）。

有趣的事实：
macOS 上的

malloc()

始终返回 16 字节对齐的内存，尽管 macOS 上没有数据类型的内存对齐要求超过 8。原因是 SSE。一些 SSE 指令有 16 字节对齐要求，通过确保

malloc()

始终返回 16 字节对齐的内存，Apple 可以经常在其标准库中使用 SSE 优化。

Answer 3

唯一的标准规则是

malloc

返回的地址将适当对齐以存储任何类型的变量。这到底意味着什么是特定于平台的（因为对齐要求因平台而异）。

Answer 4

对于 32 位 Linux 系统：
当malloc()分配内存时，它以8的倍数分配内存（8的填充）并分配额外的8字节用于簿记。

例如：

malloc(10) 和 malloc(12) 将分配 24 字节内存（填充后 16 字节 + 8 用于记账的字节）。

malloc() 进行填充，因为返回的地址将是八的倍数，因此对任何类型的指针都有效。当我们调用 free 函数时，使用簿记 8 个字节。簿记字节存储分配的内存的长度。