OpenCV源码之内存分配-指针对齐

首先，为什么要指针对齐(Pointer Alignment)？

指针对齐有时候非常重要，因为许多硬件相关的东西在对齐上存在限制。在有些系统中，某种数据类型只能存储在偶数边界的地址处。

例如，在经典的 SPARC架构(以及经典的ARM)上，你不能从奇数地址读取一个超过1字节的整型数据。尝试这么做将会立即终止程序，并伴随着总线错误。而在X86架构上，CPU硬件处理了这个问题，只是这么做将会花费更多时间；通常RISC架构是不会为你做这些。举例如下：

char c;
char *Pc = &c;
int *Pi;

Pi = (int *)Pc;

你可能会发现，*Pi的引用将会导致错误，因为Pc没有指向一个以"int"型边界对齐的数据项。

OpenCV2.0以上版本很多指针都是被对齐过的，使指针地址能够被16整除。OpenCV中的内存一般是通过malloc分配，不能保证申请的首地址都是都能被16整除；所以OpenCV中需要申请的内存做一些指针对齐操作。OpenCV中内存分配-指针对齐相关的函数有：

void* fastMalloc( size_t size )
{
    uchar* udata = (uchar*)malloc(size + sizeof(void*) + CV_MALLOC_ALIGN);
    if(!udata)
        return OutOfMemoryError(size);
    uchar** adata = alignPtr((uchar**)udata + 1, CV_MALLOC_ALIGN);
    adata[-1] = udata;
    return adata;
}

void fastFree(void* ptr)
{
    if(ptr)
    {
        uchar* udata = ((uchar**)ptr)[-1];
        CV_DbgAssert(udata < (uchar*)ptr &&
               ((uchar*)ptr - udata) <= (ptrdiff_t)(sizeof(void*)+CV_MALLOC_ALIGN));
        free(udata);
    }
}

这里的CV_MALLOC_ALIGN值为16，表示实际存储数据的首地址是16的倍数；多申请的sizeof(void *)空间用来存储malloc返回的内存首地址，以便在fastFree()中可以正确释放。假设要申请的有效内存大小为x字节，即size = x;

我的系统是32位，因此sizeof(void *) = 4，下面以图解的方式讲解以上内存申请过程：

这里ptr = (uchar **)udata + 1;即是alignPtr()函数中的第一个参数，alignPtr()函数定义为：

template static inline _Tp* alignPtr(_Tp* ptr, int n=(int)sizeof(_Tp))
{
    return (_Tp*)(((size_t)ptr + n-1) & -n);
}

该函数是用来将ptr指向的地址对齐到n边界，使得到的地址是n的倍数，在这里n = CV_MALLOCD_ALIGN = 16；

ptr = 0xYY YY YY YY，那么ptr +n - 1计算如下：

  0xYY YY YY YY

+                     0F

-------------------------------

当ptr的低4位不全为0时，ptr + n - 1的结果中第5位将会进一。

然后再与(-n)相与，-n == 0xF0，所以最终返回的地址形式为0xYY YY YY Y0，即为CV_MALLOCD_ALIGN = 16的倍数。

例如，(size_t)ptr == 0或16或32 ... ...，即16的整数倍，那么返回的地址就是本身；但如果(size_t)ptr == 2，则返回的地址就是16，如果是18，则返回的地址就是32。

下面以图解的形式分别举例说明，以上分配过程。

当(size_t)ptr % CV_MALLOCD_ALIGN == 15时，

那么对齐后的地址adata相对于ptr有一个偏移量，偏移量为1；然后adata[-1] = udata，就是将malloc返回的首地址给存起来，这段空间也就是malloc时多申请的sizeof(void *)大小的空间。

当(size_t)ptr % CV_MALLOCD_ALIGN == 1时，

那么对齐后的地址adata相对于ptr有一个偏移量，偏移量为15；

fastMalloc返回的地址是adata，而由adata是很容易求出malloc返回的udata，因此fastFree(adata)中就是这样由adata求出udata，从而顺利释放内存。

采用fastMalloc()申请的内存有效利用率为

所以申请的内存块越大，其有效利用率就越大。

另外，其实在GNU系统中，由malloc或realloc返回的内存块的地址总是8的倍数(或者在64位系统上16倍)；如果你需要一内存块，其地址是2的更高次幂的倍数，那么可以用stdlib.h.文件中声明的aligned_alloc 、posix_memalign。

参考资料：

http://stackoverflow.com/questions/4322926/what-exactly-is-an-aligned-pointer

http://bytes.com/topic/c/answers/213142-what-pointer-alignment

http://www.cnblogs.com/summerRQ/articles/2408767.html

http://www.gnu.org/savannah-checkouts/gnu/libc/manual/html_node/Aligned-Memory-Blocks.html