C++内存对齐如何实现

栏目分类：其他教程    发布日期：2023-10-12    浏览次数：258次     收藏

本篇内容介绍了“C++内存对齐如何实现”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

内存对齐的基本原则：

• 结构（struct/class）的内置类型数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的起始位置要从自身大小的整数倍开始存储（特别注意64位机器的指针大小为8个字节）。

• 如果一个结构A里有结构体成员B，则结构体B要从其内部"最宽基本类型成员”的整数倍地址开始存储（如struct a里存有struct b，b里有char, int, double等元素，那b应该从8的整数倍位置开始存储)。

• 结构体的总大小为结构体的有效对齐值的整数倍，结构体的有效对齐值的确定：

• 当未明确指定时，以结构体或结构体所包含结构体成员中最长的成员长度为其有效值。

• 当用#pragma pack(n)指定时，以n和结构体中最长的成员的长度中较小者为其值。

• 当用__attribute__ ((packed))指定长度时，强制按照此值为结构体的有效对齐值。

• 不管# pragma pack和__attribute__如何指定，结构体内部成员的自对齐仍然按照其自身的对齐值。

• union以结构里面size最大元素为union的size,因为在某一时刻，union只有一个成员真正存储于该地址。

空类/静态成员

程序 1

class A{
};

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

对于一个什么都没有的空类，实际并不是空的，因为有默认的函数，具体可以参考 （待填入网址），大小是 1，这是因为需要有一个地址，C++ 不允许两个不同的对象有相同的地址，所以 C++ 中空的类和结构体大小都是 1。

程序 2

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

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

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

这个类的大小仍然是1，成员函数、静态成员函数、静态成员变量都是不占用类的内存的，这是因为这些东西都是类的，而不是每个对象分别存储。static变量就是存储在全局静态区。

需要注意的是，子类继承空类后，子类如果有自己的数据成员，而空基类的1个字节并不会加到子类中去。

程序 3

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

sizeof(D)为4。

再来看另一种情况，一个类包含一个空类对象数据成员，则空类对象的大小仍为1。

程序 4

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

在大多数编译器中，你会发现 sizeof(HaveAnInt) 输出为8。这是由于，Empty类的大小虽然为1，然而为了内存对齐，编译器会为HaveAnInt额外加上一些字节，使得HaveAnInt被放大到足够又可以存放一个int。

内置类型数据成员

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;

显然程序 1 输出的结果为 8，程序 2 输出的结果为 16 .

程序 1 最大的数据成员是4bytes，1+4=5，补齐为4的倍数，也就是8。而程序 2 为8bytes，1+8=9，补齐为8的倍数，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 运行结果为 12，程序 4 运行结果为 8

class中的数据成员放入内存的时候，内存拿出一个内存块来，数据成员们排队一个一个往里放，遇到太大的成员时，不是将其劈成两半能放多少就放多少，而是等下一个内存块过来。这样的话，就可以理解为什么程序 3 和程序 4 两段代码输出结果不一样了，因为程序 3 是
1 + (3) + 4 + 1 + (3) = 12，而程序 4 是1 + 1 + (2) + 4 = 8。括号中为补齐的bytes。

结构体数据成员

在默认条件下，内存对齐是以class中最大的那个基本类型为基准的，如果class中的数据成员包含其他class，则递归的取其中最大的基本类型来参与比较。

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 运行结果均为：33 48

程序 1 和程序 2 中内存对其的基准均为8字节，BigData的大小均为33。在程序 1 中，BigData接下来是个int（4bytes），能够放下，这时候内存块还剩3bytes，而接下来是个double（8bytes），放不下，所以要等下一个内存快到来。因此，程序 1 的Data的size = 33 + 4 + (3) + 8 = 48，同理程序 2 应该是
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;

以上代码输出的结果为: 48 56
不同于程序 1 和程序 2 ，程序 3 中的class A实际会占用41字节，但会发生8字节对齐，所以大小为48字节。对于class B，成员b的起始位置已发生8字节对齐，而class B整体还会发生8字节对齐，所以最终大小为56。

虚函数

C++ 的类中如果有虚函数，类内就会有一个虚函数表的指针 _vptr，指向自己的虚函数表，vptr 一般都是在类的最前边（取决于编译器的实现）。

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

由于只是存一个指向虚函数表的指针，所以不管有多少个虚函数，都是 4 字节大小（32位下，任何指针大小都是 4，64位下，任何指针大小都是 8），比如上面这个类 A，size 就是 4。

需要注意的是就是，对于没有 override 的虚函数，基类和子类中 _vptr 指向的虚函数表中，这个虚函数的地址是一样的，也就是上边的 foo() 函数，而对于重写了的或者默认重写的析构函数来说，_vptr 指向的虚函数表中，函数地址是不一样的（当然两个类的 _vptr 地址也是不一样的，这是肯定的），这就能窥探到多态的实现了。

继承

不同的编译器对继承后类的大小的计算方式不同，有的是先继承后对齐，有的是先对齐后继承。

class A
{
    int i;
    char c1;
}

class B:public A
{
    char c2;
}

class C:public B
{
    char c3;
}

sizeof(C)结果是多少呢，gcc和vs给出了不同的结果，分别是8、16。

• gcc中：C相当于把所有成员i、c1、c2、c3当作是在一个class内部，(先继承后对齐)

• vs中：对于A，对齐后其大小是8；对于B，c2加上对齐后的A的大小是9，对齐后就是12；对于C，c3加上对齐后的B大小是13，再对齐就是16 (先对齐后继承)

内存对齐的意义

• 效率原因：经过内存对齐之后，CPU的内存访问速度大大提升。

• 平台原因（移植原因）：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

比较两个结构体可以使用memcmp(void*, void*)吗？

不可以，memcmp函数是逐个字节进行比较的，而struct存在内存对齐，内存对齐时补的字节内容是垃圾值，所以无法比较。