对对齐的 malloc 实现的解释

这不是作业，这纯粹是为了我自己的个人教育。

我不知道如何实现对齐的 malloc 所以在网上查找并发现这个网站 https://sites.google.com/site/ruslancray/lab/bookshelf/interview/ci/low-level/write-an-aligned-malloc-free-function。为了方便阅读，我将发布以下代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

void* aligned_malloc(size_t required_bytes, size_t alignment)
{
    void* p1; // original block
    void** p2; // aligned block
    int offset = alignment - 1 + sizeof(void*);
    if ((p1 = (void*)malloc(required_bytes + offset)) == NULL)
    {
       return NULL;
    }
    p2 = (void**)(((size_t)(p1) + offset) & ~(alignment - 1));
    p2[-1] = p1;
    return p2;
}

void aligned_free(void *p)
{
    free(((void**)p)[-1]);
}

void main (int argc, char *argv[])
{
    char **endptr;
    int *p = aligned_malloc (100, strtol(argv[1], endptr, 10));

    printf ("%s: %p\n", argv[1], p);
    aligned_free (p);
}

该实现确实有效，但老实说我不知道​​它是如何工作的。

这是我无法理解的：

1. 为什么我们需要偏移量？
2. anding 和 是什么~(alignment - 1)完成
3. p2是一个双指针。为什么我们可以从一个应该只返回单个指针的函数中返回它？
4. 解决这个问题的一般方法是什么？

非常感谢任何帮助。

EDIT

这不是重复的如何仅使用标准库分配对齐内存？ https://stackoverflow.com/questions/227897/how-to-allocate-aligned-memory-only-using-the-standard-library因为我还需要知道如何释放对齐的内存。

1. 如果您想支持超出系统范围的对齐，则需要偏移量malloc()做。例如，如果您的系统malloc()对齐到 8 字节边界，并且您想要对齐到 16 字节，您要求额外 8 个字节，这样您就可以确定可以移动结果以按要求对齐。您还添加sizeof(void*)到你传递给的大小malloc()为簿记留出空间。

2. ~(alignment - 1)是保证对齐的原因。例如，如果对齐方式为 16，则减去 1 得到 15，即 0xF，然后对其求反，得到 0xFF..FF0，这是您需要满足从以下位置返回的任何指针的对齐方式的掩码：malloc()。请注意，这个技巧假设对齐是 2 的幂（实际上通常是这样，但确实应该进行检查）。

3. It's a void**。函数返回void*。这是可以的，因为指向 void 的指针是“指向任何类型的指针”，在这种情况下，该类型是void*。换句话说，转换void*允许往返于其他指针类型，并且双指针仍然是指针。

4. 这里的总体方案是将原始指针存储在返回给调用者的指针之前。标准的一些实现malloc()做同样的事情：在返回的块之前存储簿记信息。这使得很容易知道何时回收多少空间free()叫做。

话虽如此，这种事情通常没有用，因为标准malloc()返回系统上最大的对齐方式。如果您需要除此之外的对齐，可能还有其他解决方案，包括特定于编译器的属性。