C++內(nèi)存對(duì)齊如何實(shí)現(xiàn)

本篇內(nèi)容介紹了“C++內(nèi)存對(duì)齊如何實(shí)現(xiàn)”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

內(nèi)存對(duì)齊的基本原則：

• 結(jié)構(gòu)（struct/class）的內(nèi)置類(lèi)型數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在offset為0的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的起始位置要從自身大小的整數(shù)倍開(kāi)始存儲(chǔ)（特別注意64位機(jī)器的指針大小為8個(gè)字節(jié)）。

• 如果一個(gè)結(jié)構(gòu)A里有結(jié)構(gòu)體成員B，則結(jié)構(gòu)體B要從其內(nèi)部"最寬基本類(lèi)型成員”的整數(shù)倍地址開(kāi)始存儲(chǔ)（如struct a里存有struct b，b里有char, int, double等元素，那b應(yīng)該從8的整數(shù)倍位置開(kāi)始存儲(chǔ))。

• 結(jié)構(gòu)體的總大小為結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)齊值的整數(shù)倍，結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)齊值的確定：

• 當(dāng)未明確指定時(shí)，以結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)體所包含結(jié)構(gòu)體成員中最長(zhǎng)的成員長(zhǎng)度為其有效值。

• 當(dāng)用#pragma pack(n)指定時(shí)，以n和結(jié)構(gòu)體中最長(zhǎng)的成員的長(zhǎng)度中較小者為其值。

• 當(dāng)用__attribute__ ((packed))指定長(zhǎng)度時(shí)，強(qiáng)制按照此值為結(jié)構(gòu)體的有效對(duì)齊值。

• 不管# pragma pack和__attribute__如何指定，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部成員的自對(duì)齊仍然按照其自身的對(duì)齊值。

• union以結(jié)構(gòu)里面size最大元素為union的size,因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻，union只有一個(gè)成員真正存儲(chǔ)于該地址。

空類(lèi)/靜態(tài)成員

程序 1

class A{
};

int main() {
    cout << sizeof(A) << endl;    // 1
}

對(duì)于一個(gè)什么都沒(méi)有的空類(lèi)，實(shí)際并不是空的，因?yàn)橛心J(rèn)的函數(shù)，具體可以參考 （待填入網(wǎng)址），大小是 1，這是因?yàn)樾枰幸粋€(gè)地址，C++ 不允許兩個(gè)不同的對(duì)象有相同的地址，所以 C++ 中空的類(lèi)和結(jié)構(gòu)體大小都是 1。

程序 2

class A{
    A(){}
    ~A(){}
    void print() { printf("print()\n"); }
    void foo() { printf("print()\n"); }

    static void sprint() { printf("sprint()\n"); }
};

int main() {
    cout << sizeof(A) << endl;    // 1
}

這個(gè)類(lèi)的大小仍然是1，成員函數(shù)、靜態(tài)成員函數(shù)、靜態(tài)成員變量都是不占用類(lèi)的內(nèi)存的，這是因?yàn)檫@些東西都是類(lèi)的，而不是每個(gè)對(duì)象分別存儲(chǔ)。static變量就是存儲(chǔ)在全局靜態(tài)區(qū)。

需要注意的是，子類(lèi)繼承空類(lèi)后，子類(lèi)如果有自己的數(shù)據(jù)成員，而空基類(lèi)的1個(gè)字節(jié)并不會(huì)加到子類(lèi)中去。

程序 3

class Empty {};
struct D : public Empty {
    int a;
};

sizeof(D)為4。

再來(lái)看另一種情況，一個(gè)類(lèi)包含一個(gè)空類(lèi)對(duì)象數(shù)據(jù)成員，則空類(lèi)對(duì)象的大小仍為1。

程序 4

class Empty {};
class HaveAnInt {
    int x;
    Empty e;
}

在大多數(shù)編譯器中，你會(huì)發(fā)現(xiàn) sizeof(HaveAnInt) 輸出為8。這是由于，Empty類(lèi)的大小雖然為1，然而為了內(nèi)存對(duì)齊，編譯器會(huì)為HaveAnInt額外加上一些字節(jié)，使得HaveAnInt被放大到足夠又可以存放一個(gè)int。

內(nèi)置類(lèi)型數(shù)據(jù)成員

程序 1

class Data
{
    char c;
    int a;
};
 
cout << sizeof(Data) << endl;

程序 2

class Data
{
    char c;
    double a;
};
 
cout << sizeof(Data) << endl;

顯然程序 1 輸出的結(jié)果為 8，程序 2 輸出的結(jié)果為 16 .

程序 1 最大的數(shù)據(jù)成員是4bytes，1+4=5，補(bǔ)齊為4的倍數(shù)，也就是8。而程序 2 為8bytes，1+8=9，補(bǔ)齊為8的倍數(shù)，也就是16。

程序 3

class Data
{
    char c;
    int a;
    char d;
};
 
cout << sizeof(Data) << endl;

程序 4

class Data
{
    char c;
    char d;
    int a;
};
 
cout << sizeof(Data) << endl;

程序 3 運(yùn)行結(jié)果為 12，程序 4 運(yùn)行結(jié)果為 8

class中的數(shù)據(jù)成員放入內(nèi)存的時(shí)候，內(nèi)存拿出一個(gè)內(nèi)存塊來(lái)，數(shù)據(jù)成員們排隊(duì)一個(gè)一個(gè)往里放，遇到太大的成員時(shí)，不是將其劈成兩半能放多少就放多少，而是等下一個(gè)內(nèi)存塊過(guò)來(lái)。這樣的話(huà)，就可以理解為什么程序 3 和程序 4 兩段代碼輸出結(jié)果不一樣了，因?yàn)槌绦?3 是
1 + (3) + 4 + 1 + (3) = 12，而程序 4 是1 + 1 + (2) + 4 = 8。括號(hào)中為補(bǔ)齊的bytes。

結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)成員

在默認(rèn)條件下，內(nèi)存對(duì)齊是以class中最大的那個(gè)基本類(lèi)型為基準(zhǔn)的，如果class中的數(shù)據(jù)成員包含其他class，則遞歸的取其中最大的基本類(lèi)型來(lái)參與比較。

程序 1

class BigData
{
    char array[33];
};
 
class Data
{
    BigData bd;
    int integer;
    double d;
};
 
cout << sizeof(BigData) << "   " << sizeof(Data) << endl;

程序 2

class BigData
{
    char array[33];
};
 
class Data
{
    BigData bd;
    double d;
};
 
cout << sizeof(BigData) << "   " << sizeof(Data) << endl;

程序 1 和程序 2 運(yùn)行結(jié)果均為：33 48

程序 1 和程序 2 中內(nèi)存對(duì)其的基準(zhǔn)均為8字節(jié)，BigData的大小均為33。在程序 1 中，BigData接下來(lái)是個(gè)int（4bytes），能夠放下，這時(shí)候內(nèi)存塊還剩3bytes，而接下來(lái)是個(gè)double（8bytes），放不下，所以要等下一個(gè)內(nèi)存快到來(lái)。因此，程序 1 的Data的size = 33 + 4 + (3) + 8 = 48，同理程序 2 應(yīng)該是
33 + (7) + 8 = 48。

程序 3

 class A {                                                                                         
 public:                                                                                           
     double len;                                                                                   
     char str[33];                                                                                 
 };                                                                                                
                                                                                                   
 class B {                                                                                         
 public:                                                                                                                                          
     A a;                                                                                          
     int b;                                                                                        
 };

cout << sizeof(A) << "  " << sizeof(B) << endl;

以上代碼輸出的結(jié)果為: 48 56
不同于程序 1 和程序 2 ，程序 3 中的class A實(shí)際會(huì)占用41字節(jié)，但會(huì)發(fā)生8字節(jié)對(duì)齊，所以大小為48字節(jié)。對(duì)于class B，成員b的起始位置已發(fā)生8字節(jié)對(duì)齊，而class B整體還會(huì)發(fā)生8字節(jié)對(duì)齊，所以最終大小為56。

虛函數(shù)

C++ 的類(lèi)中如果有虛函數(shù)，類(lèi)內(nèi)就會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)表的指針 _vptr，指向自己的虛函數(shù)表，vptr 一般都是在類(lèi)的最前邊（取決于編譯器的實(shí)現(xiàn)）。

class A {
public:
    A(){}
    virtual ~A(){}
    virtual void foo(){}
    virtual void print() {}
};

由于只是存一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針，所以不管有多少個(gè)虛函數(shù)，都是 4 字節(jié)大?。?2位下，任何指針大小都是 4，64位下，任何指針大小都是 8），比如上面這個(gè)類(lèi) A，size 就是 4。

需要注意的是就是，對(duì)于沒(méi)有 override 的虛函數(shù)，基類(lèi)和子類(lèi)中 _vptr 指向的虛函數(shù)表中，這個(gè)虛函數(shù)的地址是一樣的，也就是上邊的 foo() 函數(shù)，而對(duì)于重寫(xiě)了的或者默認(rèn)重寫(xiě)的析構(gòu)函數(shù)來(lái)說(shuō)，_vptr 指向的虛函數(shù)表中，函數(shù)地址是不一樣的（當(dāng)然兩個(gè)類(lèi)的 _vptr 地址也是不一樣的，這是肯定的），這就能窺探到多態(tài)的實(shí)現(xiàn)了。

繼承

不同的編譯器對(duì)繼承后類(lèi)的大小的計(jì)算方式不同，有的是先繼承后對(duì)齊，有的是先對(duì)齊后繼承。

class A
{
    int i;
    char c1;
}

class B:public A
{
    char c2;
}

class C:public B
{
    char c3;
}

sizeof(C)結(jié)果是多少呢，gcc和vs給出了不同的結(jié)果，分別是8、16。

• gcc中：C相當(dāng)于把所有成員i、c1、c2、c3當(dāng)作是在一個(gè)class內(nèi)部，(先繼承后對(duì)齊)

• vs中：對(duì)于A，對(duì)齊后其大小是8；對(duì)于B，c2加上對(duì)齊后的A的大小是9，對(duì)齊后就是12；對(duì)于C，c3加上對(duì)齊后的B大小是13，再對(duì)齊就是16 (先對(duì)齊后繼承)

內(nèi)存對(duì)齊的意義

• 效率原因：經(jīng)過(guò)內(nèi)存對(duì)齊之后，CPU的內(nèi)存訪問(wèn)速度大大提升。

• 平臺(tái)原因（移植原因）：不是所有的硬件平臺(tái)都能訪問(wèn)任意地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺(tái)只能在某些地址處取某些特定類(lèi)型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)體可以使用memcmp(void*, void*)嗎？

不可以，memcmp函數(shù)是逐個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較的，而struct存在內(nèi)存對(duì)齊，內(nèi)存對(duì)齊時(shí)補(bǔ)的字節(jié)內(nèi)容是垃圾值，所以無(wú)法比較。

“C++內(nèi)存對(duì)齊如何實(shí)現(xiàn)”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！