如何在c++中编写对齐感知的(alignment-aware)内存分配器？ (SIMD优化)

new和malloc不够用，因其仅保证16字节对齐，而AVX2/AVX-512要求32/64字节对齐，否则向量指令会崩溃或数据错乱；需用std::aligned_alloc或自定义对齐分配器保障地址对齐。

为什么 new 和 malloc 不够用？

当你做 SIMD 计算（比如用 _mm256_load_ps 或 _mm512_store_si512）时，CPU 会要求数据地址严格对齐：AVX2 要求 32 字节对齐，AVX-512 要求 64 字节对齐。而标准 malloc 只保证 alignof(std::max_align_t)（通常是 16 字节），new 同理。直接传给向量指令就会触发 std::bad_alloc（某些平台）或更糟——静默崩溃、数据错乱。

用 std::aligned_alloc 写一个基础对齐分配器

这是最轻量、可移植的起点（C++17 起可用）。它绕过 new/delete 的限制，直接请求指定对齐的原始内存。

void* aligned_malloc(size_t size, size_t alignment) {
    // alignment 必须是 2 的幂，且 >= sizeof(void*)
    if (alignment == 0 || (alignment & (alignment - 1)) != 0) return nullptr;
    void* ptr = std::aligned_alloc(alignment, size);
    if (!ptr) throw std::bad_alloc{};
    return ptr;
}
void aligned_free(void* ptr) {
std::free(ptr); // 注意：必须用 free，不是 delete
}

• std::aligned_alloc 要求 alignment 是 2 的幂，且 size 是 alignment 的整数倍（否则行为未定义）
• 返回的指针可直接用于 _mm256_load_ps(ptr) 等指令
• 不能用 delete 释放 —— 必须配对用 std::free

封装成类模板：支持 std::vector 和 std::allocator 接口

要让 std::vector> 正常工作，需实现标准 allocator 概念。关键不是重写所有函数，而是确保 allocate 返回足够对齐的内存。

template
struct aligned_allocator {
    using value_type = T;
    using pointer = T*;
pointer allocate(size_t n) {
    size_t bytes = n * sizeof(T);
    void* ptr = std::aligned_alloc(Alignment, bytes);
    if (!ptr) throw std::bad_alloc{};
    return static_cast(ptr);
}

void deallocate(pointer p, size_t) noexcept {
    std::free(p);
}

template
struct rebind { using other = aligned_allocator; };
};
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必须提供 rebind，否则容器内部类型推导会失败

deallocate 的第二个参数（n）在 std::free 中无用，但签名必须匹配
对 std::vector，建议用 std::vector> 配合 AVX-512

手动对齐 + 偏移管理（避免 std::aligned_alloc 的开销）
高频小块分配（如每帧分配几百个 256-bit 向量）时，std::aligned_alloc 的系统调用开销明显。更高效的做法是：一次申请大块内存（如 2MB），然后手动按对齐边界切分，并记录偏移。
class simd_arena {
    std::unique_ptr storage_;
    size_t offset_ = 0;
    static constexpr size_t kPageSize = 4096;
public:
explicit simd_arena(sizet capacity) 
: storage(std::make_unique(capacity + kPageSize)) {
// 找到第一个满足对齐要求的地址
uintptr_t addr = reinterpret_cast(storage.get());
offset = (kPageSize - (addr & (kPageSize - 1))) & (kPageSize - 1);
}
template
void* allocate(size_t bytes) {
    static_assert((Align & (Align - 1)) == 0, "Align must be power of two");
    uintptr_t cur = reinterpret_cast(storage_.get()) + offset_;
    uintptr_t aligned = (cur + Align - 1) & ~(Align - 1);
    size_t needed = aligned - cur + bytes;
    if (offset_ + needed > storage_.size()) return nullptr;
    offset_ += needed;
    return reinterpret_cast(aligned);
}
};
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这里用 uintptr_t 做指针算术，避免未定义行为
每次 allocate 返回的地址都满足 Align 对齐，且不依赖系统 allocator
注意：这种 arena 不支持单个对象释放，只适合“一帧一清”或“全生命周期统一管理”的场景

对齐不是加个 alignas 就完事的——那是告诉编译器怎么放栈变量；真正决定运行时能否安全执行向量指令的，是分配器返回的地址是否落在硬件要求的边界上。最容易被忽略的一点：即使你用 aligned_alloc(64, ...)，如果后续做了指针算术（比如 ptr + 1），结果很可能就失去对齐了。所以对齐感知的分配器，本质是把对齐责任从使用者手上收回来，由分配器统一保障。