C++内存对齐的实现

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

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

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。

到此这篇关于C++内存对齐的实现的文章就介绍到这了,更多相关C++内存对齐内容请搜索猪先飞以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持猪先飞！