深入理解C++17的std::aligned_alloc：动态分配对齐内存的利器

创作时间:

作者:

@小白创作中心

深入理解C++17的std::aligned_alloc：动态分配对齐内存的利器

引用

来源

https://cloud.tencent.com/developer/article/2492540

微信图片_20250202225024.png

引言

在C++编程领域，内存管理是一项关键任务，而内存对齐则是其中影响程序性能的重要因素。特别是在运用SIMD指令或处理缓存行时，恰当的内存对齐能大幅提升程序效率。C++17引入的
std::aligned_alloc
函数，为开发者提供了便捷的对齐内存分配方式。

std::aligned_alloc详细剖析

函数原型

std::aligned_alloc
是C++17标准库新增函数，用于分配对齐内存，其原型为：

void* aligned_alloc(std::size_t alignment, std::size_t size);

alignment：规定内存对齐边界，必须是实现认可的合法值，常见为2的幂，如8、16、32等。这是因为硬件架构对内存访问有特定对齐要求，以2的幂为对齐值能更好适配。
size：代表要分配的字节数，且必须是
alignment
的整数倍。这确保了内存分配的规整性，满足特定对齐需求。

功能

该函数负责分配一块未初始化内存，确保起始地址符合指定对齐要求。若
alignment
设为32，分配的内存地址就是32的倍数。这在特定硬件指令集处理数据时尤为重要，例如某些SIMD指令要求数据按特定对齐存储，以达最佳执行效率。

线程安全性

std::aligned_alloc
具备线程安全性。它仅访问由参数可见的内存区域，不涉及静态存储。这意味着在多线程环境下，多个线程同时调用该函数进行内存分配与释放，不会引发数据竞争等线程相关问题，为多线程编程的内存管理提供便利。

返回值

成功时：返回指向新分配内存的指针。为防止内存泄漏，需使用
std::free
或
std::realloc
释放该指针。
失败时：返回空指针
nullptr
。

注意事项

参数匹配：若
size
不是
alignment
的整数倍，或
alignment
为无效或不被实现支持的值，函数将失败并返回空指针。调用前务必检查参数。
平台差异：不同平台对
alignment
支持不同。如基于POSIX的实现，通常要求
alignment
是
sizeof(void*)
的倍数。跨平台开发时，要查阅目标平台文档，保证代码兼容性。

应用场景

SIMD指令应用：SIMD（单指令多数据）指令可提高计算效率，但要求数据在内存中特定对齐。如SSE指令常需16字节对齐，AVX指令需32字节对齐。
std::aligned_alloc
能分配满足要求的对齐内存，提升程序性能。
缓存与内存页优化：将数据对齐到缓存行或虚拟内存页边界，可减少缓存未命中和页错误。例如，频繁访问的数据结构对齐到缓存行边界，CPU能从缓存获取更多数据，减少内存读取次数，提升性能。

博客教程示例

代码示例

#include <cstdlib>
#include <iostream>

int main() {
    std::size_t alignment = 32; // 对齐边界
    std::size_t size = 128;     // 分配的字节数
    // 分配对齐内存
    void* ptr = std::aligned_alloc(alignment, size);
    if (ptr == nullptr) {
        std::cerr << "Memory allocation failed!" << std::endl;
        return 1;
    }
    std::cout << "Allocated memory at address: " << ptr << std::endl;
    // 释放内存
    std::free(ptr);
    return 0;
}

上述代码先定义对齐边界
alignment
为32，分配字节数
size
为128，接着调用
std::aligned_alloc
分配对齐内存，检查指针判断分配是否成功。若成功，输出内存地址，最后用
std::free
释放内存。