C++記憶體對齊的實現

2023-02-06 06:00:19

結構（struct/class）的內建型別資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員的起始位置要從自身大小的整數倍開始儲存（特別注意64位元機器的指標大小為8個位元組）。
如果一個結構A裡有結構體成員B，則結構體B要從其內部"最寬基本型別成員”的整數倍地址開始儲存（如struct a裡存有struct b，b裡有char, int, double等元素，那b應該從8的整數倍位置開始儲存)。
結構體的總大小為結構體的有效對齊值的整數倍，結構體的有效對齊值的確定：
- 當未明確指定時，以結構體或結構體所包含結構體成員中最長的成員長度為其有效值。
- 當用#pragma pack(n)指定時，以n和結構體中最長的成員的長度中較小者為其值。
- 當用__attribute__ ((packed))指定長度時，強制按照此值為結構體的有效對齊值。
- 不管# pragma pack和__attribute__如何指定，結構體內部成員的自對齊仍然按照其自身的對齊值。
union以結構裡面size最大元素為union的size,因為在某一時刻，union只有一個成員真正儲存於該地址。

空類/靜態成員

程式 1

class A{
};

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

對於一個什麼都沒有的空類，實際並不是空的，因為有預設的函數，具體可以參考（待填入網址），大小是 1，這是因為需要有一個地址，C++ 不允許兩個不同的物件有相同的地址，所以 C++ 中空的類和結構體大小都是 1。

程式 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
}

這個類的大小仍然是1，成員函數、靜態成員函數、靜態成員變數都是不佔用類的記憶體的，這是因為這些東西都是類的，而不是每個物件分別儲存。static變數就是儲存在全域性靜態區。

需要注意的是，子類繼承空類後，子類如果有自己的資料成員，而空基礎類別的1個位元組並不會加到子類中去。

程式 3

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

sizeof(D)為4。

再來看另一種情況，一個類包含一個空類物件資料成員，則空類物件的大小仍為1。

程式 4

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

在大多數編譯器中，你會發現 sizeof(HaveAnInt) 輸出為8。這是由於，Empty類的大小雖然為1，然而為了記憶體對齊，編譯器會為HaveAnInt額外加上一些位元組，使得HaveAnInt被放大到足夠又可以存放一個int。

內建型別資料成員

程式 1

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

程式 2

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

顯然程式 1 輸出的結果為 8，程式 2 輸出的結果為 16 .

程式 1 最大的資料成員是4bytes，1+4=5，補齊為4的倍數，也就是8。而程式 2 為8bytes，1+8=9，補齊為8的倍數，也就是16。

程式 3

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

程式 4

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

程式 3 執行結果為 12，程式 4 執行結果為 8

class中的資料成員放入記憶體的時候，記憶體拿出一個記憶體塊來，資料成員們排隊一個一個往裡放，遇到太大的成員時，不是將其劈成兩半能放多少就放多少，而是等下一個記憶體塊過來。這樣的話，就可以理解為什麼程式 3 和程式 4 兩段程式碼輸出結果不一樣了，因為程式 3 是
1 + (3) + 4 + 1 + (3) = 12，而程式 4 是1 + 1 + (2) + 4 = 8。括號中為補齊的bytes。

結構體資料成員

在預設條件下，記憶體對齊是以class中最大的那個基本型別為基準的，如果class中的資料成員包含其他class，則遞迴的取其中最大的基本型別來參與比較。

程式 1

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

程式 2

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

程式 1 和程式 2 執行結果均為：33 48

程式 1 和程式 2 中記憶體對其的基準均為8位元組，BigData的大小均為33。在程式 1 中，BigData接下來是個int（4bytes），能夠放下，這時候記憶體塊還剩3bytes，而接下來是個double（8bytes），放不下，所以要等下一個記憶體快到來。因此，程式 1 的Data的size = 33 + 4 + (3) + 8 = 48，同理程式 2 應該是
33 + (7) + 8 = 48。

程式 3

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

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

以上程式碼輸出的結果為: 48 56
不同於程式 1 和程式 2 ，程式 3 中的class A實際會佔用41位元組，但會發生8位元組對齊，所以大小為48位元組。對於class B，成員b的起始位置已發生8位元組對齊，而class B整體還會發生8位元組對齊，所以最終大小為56。

虛擬函式

C++ 的類中如果有虛擬函式，類內就會有一個虛擬函式表的指標 _vptr，指向自己的虛擬函式表，vptr 一般都是在類的最前邊（取決於編譯器的實現）。

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

由於只是存一個指向虛擬函式表的指標，所以不管有多少個虛擬函式，都是 4 位元組大小（32位元下，任何指標大小都是 4，64位元下，任何指標大小都是 8），比如上面這個類 A，size 就是 4。

需要注意的是就是，對於沒有 override 的虛擬函式，基礎類別和子類中 _vptr 指向的虛擬函式表中，這個虛擬函式的地址是一樣的，也就是上邊的 foo() 函數，而對於重寫了的或者預設重寫的解構函式來說，_vptr 指向的虛擬函式表中，函數地址是不一樣的（當然兩個類的 _vptr 地址也是不一樣的，這是肯定的），這就能窺探到多型的實現了。

繼承

不同的編譯器對繼承後類的大小的計算方式不同，有的是先繼承後對齊，有的是先對齊後繼承。

class A
{
    int i;
    char c1;
}

class B:public A
{
    char c2;
}

class C:public B
{
    char c3;
}

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

gcc中：C相當於把所有成員i、c1、c2、c3當作是在一個class內部，(先繼承後對齊)
vs中：對於A，對齊後其大小是8；對於B，c2加上對齊後的A的大小是9，對齊後就是12；對於C，c3加上對齊後的B大小是13，再對齊就是16 (先對齊後繼承)

記憶體對齊的意義

效率原因：經過記憶體對齊之後，CPU的記憶體存取速度大大提升。
平臺原因（移植原因）：不是所有的硬體平臺都能存取任意地址上的任意資料，某些硬體平臺只能在某些地址處取某些特定型別的資料，否則丟擲硬體異常。

比較兩個結構體可以使用memcmp(void*, void*)嗎？

不可以，memcmp函數是逐個位元組進行比較的，而struct存在記憶體對齊，記憶體對齊時補的位元組內容是垃圾值，所以無法比較。

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內建型別資料成員

結構體資料成員

虛擬函式

繼承

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