C++ 内存对齐

 

注:本文代码测试环境为win7 X64 cpu, 编译器为gcc4.7.1 和 vs2010

内存对齐是编译器为了便于CPU快速访问而采用的一项技术

我们先从一个例子开始,对下面的类(或者结构体)

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class node{    char c;    int i;    short s;}no;

 

sizeof(no)的值是多少呢,如果你的回答是7(1+4+2),那么你应该认真阅读下面的内容。可以在编译器上试试,输出的结果是12,这就是内存对齐的结果。

为什么要进行内存对齐呢?

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的;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。

性能原因:数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。                                                                       

编译器一般按照几个字节对齐呢?本文中两个编译器默认按照类中最大类型长度来对齐,我么也可以使用语句#pragma pack(i)(i = 1,2,4,8,16)来设置对齐字节数目,vs还可以在项目属性-配置属性-c/c++-代码生成-结构成员对齐设置。

对齐规则如下:

1.  如果设置了内存对齐为 i 字节,类中最大成员对齐字节数为j,那么整体对齐字节n = min(i, j)  (某个成员的对齐字节数定义:如果该成员是c++自带类型如int、char、double等,那么其对齐字节数=该类型在内存中所占的字节数;如果该成员是自定义类型如某个class或者struct,那个它的对齐字节数 = 该类型内最大的成员对齐字节数《详见实例4》)

2.  每个成员对齐规则:类中第一个数据成员放在offset为0的位置;对于其他的数据成员(假设该数据成员对齐字节数为k),他们放置的起始位置offset应该是 min(k, n) 的整数倍

3.  整体对齐规则:最后整个类的大小应该是n的整数倍

4.  当设置的对齐字节数大于类中最大成员对齐字节数时,这个设置实际上不产生任何效果(实例2);当设置对齐字节数为1时,类的大小就是简单的把所有成员大小相加

我们通过以下几个实例来分析

实例1:(没有指定对齐字节,则n = 最大成员(int i)的大小4)

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class node{    char c;   //放在位置0,位置区间[0]    int i;      //4 = n, 那么放置起始位置应该是4的倍数,即4,位置区间为[4~7]    short s; //2 < n,那么放置起始位置应该是2的倍数,即8,位置区间为[8~9]}

 

此时成员共占用[0~9]10个字节,还要整体对齐,大小应该是4的倍数,即12

实例2:(假设指定对齐字节为8,那么n = min(8,4) = 4)

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class node{    int i; //放在位置0,位置区间[0~3]    char c; //1 < n, 那么放置起始位置应该是1的倍数,即4,位置区间为[4]    short s; //2 < n,那么放置起始位置应该是2的倍数,即6,位置区间为[6~7]}

 

成员共占据[0~7]8个字节,刚好是4的倍数,因此大小是8

实例3:(假设指定对齐字节是2,则n = min(2,4) = 2)

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class node{    char c; //放在位置0,位置区间[0]    int i; //4 > n, 那么放置起始位置应该是2的倍数,即2,位置区间为[2~5]    short s; //2 = n,那么放置起始位置应该是2的倍数,即6,位置区间为[6~7]}

 

此时成员共占用[0~7]8个字节,刚好是4的倍数,因此大小是8

实例4:(按照默认设置)

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class temp{    char c;    int i;    short s1;};

 

由实例1可知,默认对齐情况下,temp的大小是12,temp的对齐字节数是:三个成员取最大的,即为4;

对于node,n = 其三个成员对齐字节数取最大,即等于t的对齐字节数,也就是 4。

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class node{    char c; //放在位置0,位置区间[0]    temp t; //4(temp的对齐字节数) = n, 那么放置起始位置应该是4的倍数,即4,位置区间为[4~15]    short s; //2 < n,那么放置起始位置应该是2的倍数,即16,位置区间为[16~17]}

 

此时成员共占用[0~17]18个字节,还要整体对齐,大小应该是4的倍数,因此大小是20

 实例5:(默然设置)

对于node,n = 其三个成员对齐字节数取最大,即等于d的对齐字节数,也就是 8。

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class node{    temp t; //放在位置0,位置区间[0~11]    double d; //8(temp的对齐字节数) = n, 那么放置起始位置应该是8的倍数,即16,位置区间为[16~23]    short s; //2 < n,那么放置起始位置应该是2的倍数,即24,位置区间为[24~25]}

 

此时成员共占用[0~25]26个字节,还要整体对齐,大小应该是8的倍数,因此大小是32.

类继承时的内存对齐

 

考虑如下类

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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)

关于c++对象继承后的内存布局,更详细的分析可以《深度探索参考c++对象模型》第三章。

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