C++內存對齊及內存布局

前言

??本文會展示內存對齊，及繼承、虛繼承等各個情況下內存的布局，并根據結果總結使用場景。

基本調試方法

??使用編譯器自帶的工具，在Visual Studio下，右鍵解決方案，在彈出的菜單下，點擊屬性：

??在屬性頁中，依次找到配置屬性》C/C++ 》命令行，在【其他選項】中輸入/d1 reportAllClassLayout，點擊確定。

??隨后重新編譯（重新生成解決方案），就可以在輸出欄看到內存的布局（輸出不少，可以點擊輸出欄后，用CTRL+F查找）：

??當然，查看單個類也是可以的，只需要輸入：/d1 reportSingleClassLayout○○○，用類名直接代替最后的○○○即可。

一、內存對齊

1.單個變量

??C++普通類占用內存的只有成員變量，普通成員函數不占用類的內存空間：

class TEST{
    int a;
};
//class TEST    size(4):
//  +---
// 0    | a
//  +---

2.多個變量

class TEST{
    double d;
    int a;
};
//class TEST    size(16):
//  +---
// 0    | d
// 8    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??C++默認對齊大小為類內最大的基礎類型大小，因此int變量后多出4個字節的對齊空間。

3.多變量實驗

class TEST{
    char c;
    int a;
    double d;
};
//class TEST    size(16):
//  +---
// 0    | c
//      | <alignment member> (size=3)
// 4    | a
// 8    | d
//  +---

class TEST{
    int a;
    char c;
    double d;
};
//class TEST    size(16):
//  +---
// 0    | a
// 4    | c
//      | <alignment member> (size=3)
// 8    | d
//  +---

class TEST{
    double d;
    int a;
    char c;
};
//class TEST    size(16):
//  +---
// 0    | d
// 8    | a
//12    | c
//      | <alignment member> (size=3)
//  +---

??這三個都沒有變化，但假如：

class TEST{
    char c;
    double d;
    int a;
};
//class TEST    size(24):
//  +---
// 0    | c
//      | <alignment member> (size=7)
// 8    | d
//16    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

4.內存對齊規則

??發生了變化，多了8個字節，由此得到規律：
??想像一個表格，列數為擁有最大基礎類型長度，例如上面的double，長度為8字節，則每行8列：

對齊\字節	1	2	3	4	5	6	7	8
0
8
16

??將變量從上到下填充，塞入當前變量時，如果能在當前行塞下，就塞入，塞不下，就另起一行再塞入：

對齊\字節	1	2	3	4	5	6	7	8
0	char
8	double_1	double_2	double_3	double_4	double_5	double_6	double_7	double_8
16	int_1	int_2	int_3	int_4

??同時，每個變量只會放在整[自己大小的]的字節處，double只會從整8字節開始，int只會從整4字節開始，short只會從整2字節開始，char就隨意放置，上面多變量實驗第一例的內存布局就如下圖所示：

對齊\字節	1	2	3	4	5	6	7	8
0	char				int_1	int_2	int_3	int_4
8	double_1	double_2	double_3	double_4	double_5	double_6	double_7	double_8

數組成員

??數組成員相當于在當前位置直接定義當前數組長度個變量，對齊長度不會變成數組占用的字節數。

非基礎類型成員

struct Box {
    double a;
    char b;
};
class TEST{
    Box b;
    char c;
};
//class Box size(16):
//  +---
// 0    | a
// 8    | b
//      | <alignment member> (size=7)
//  +---
//
//class TEST    size(40):
//  +---
// 0    | Box b
//16    | c
//      | <alignment member> (size=7)
//  +---

??相當于直接把成員對象空間堆在里面，同時持有類的對齊也會受到成員對象的影響，上例TEST的對齊大小受Box的影響，變成了8

5.更大的對齊

??看起來內存對齊的最大對齊就是8，畢竟我們所熟知的類型中，只有double才會占用8字節，非基礎類型成員的大小也不會直接作用于內存對齊。
??不過更大的基礎類型也是存在的，就比如在SIMD類型中_m128和_m256分別會占用16字節和32字節，并且它們的空間占用會導致內存對齊數的增大。如果你的類中只有_m256和char的變量各一個，用上面的方法，會看到char后面會跟著31個內存對齊空間。
??這兩個類型分別在nmmintrin.h和immintrin.h中，相關操作可以查閱SIMD的資料。

6.結論

??不同的變量排列方式會改變對象的大小，建議變量從大到小或從小到大排列，這樣空間會達到最優。
??學會內存的對齊有什么意義呢？從上例來看，好像只能優化對象的布局，使其占用空間更小。在當今的計算機，我們普遍不關注幾個字節的空間占用，一個用途，就是如果數據使用結構化存儲，當數據量十分龐大，成千上萬，乃至千萬、上億時，省下的空間能肉眼可見；不過這種存儲技術通常都有相關優化，一般也不是我們所關心的。
??不過我在編寫代碼時，遇到了一定要內存對齊的情況，是編寫SIMD（單指令流多數據流）時遇到的，詳情可見SIMD類型堆上分配方法探究。

7.其他有關內存布局的C++特性與函數

①_declspec關鍵字
??__declspec用于指定所給定類型的實例的與Microsoft相關的存儲方式，通常用法是__declspec(表達式)，當表達式為align(n)時(n為2的整次冪)，可設置對象地址對齊：

_declspec(align(16)) class TEST {
    char c;
};
//class TEST    size(16):
//  +---
// 0    | c
//  +---

??可以看到對象最小大小為16，不過最終大小可以不為16的倍數，對齊地址和對齊內存塊還是有區別的，這種方式能對齊靜態存儲，但動態分配的內存不能保證對齊地址。
②alignas、alignof關鍵字
??C++11標準的關鍵字。
??alignof可在運行時得到類型的對齊值：

_declspec(align(4)) class TEST {
    double a;
};
int main() {
    std::cout << alignof(TEST);//output: 8

_declspec(align(16)) class TEST {
    double a;
};//output: 16

??alignas可在定義變量時，改變當前變量的對齊值：

_declspec(align(16)) class TEST {
    double a;
    double b;
    alignas(32) char c;
};
int main() {
    std::cout << alignof(TEST);//output: 32
    system("pause");
}
//class TEST    size(64):
//  +---
// 0    | a
// 8    | b
//      | <alignment member> (size=16)
//32    | c
//      | <alignment member> (size=31)
//  +---

③_mm_malloc, _mm_free函數
??SIMD庫帶的函數，用于分配地址對齊的動態內存，常常和placement new配合使用，使用事例參照上面那個遇到的SIMD坑。

二、繼承、帶有虛函數、虛繼承的內存布局

1.單個類

??帶有一個或多個虛函數，將得到一個虛表指針vfptr：

class TEST{
    int a;
    virtual bool func() {}
};
//class TEST    size(8):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | a
//  +---

??虛表指針vfptr會指向存有虛函數的虛表，虛表本身大小我們不必考慮。
??vfptr會放到成員變量前，單單看這個例子，vfptr的大小是4，不過如果增加一個更大的變量：

class TEST{
    double d;
    int a;
    virtual bool func() {}
};
//class TEST    size(24):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 8    | d
//16    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??在x64平臺上vfptr大小變成了8，在x86平臺上，大小還是4，但內存會對齊四個，最終占用大小還是8；如果是SIMD類型，vfptr的大小甚至可能是16、32。

2.繼承

??此時出現繼承，有四種情況，有無虛函數、有無虛繼承的兩兩組合：

無虛繼承，無虛函數

class TEST2 :  public TEST {
    int a2;
};
//class TEST2   size(32):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST)
// 0    | | {vfptr}
// 8    | | d
//16    | | a
//  | | <alignment member> (size=4)
//  | +---
//24    | a2
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??直接把父類的內存放到自己的最前面，同時內存布局繼承父類的（父類有double，內存對齊為8，子類也對齊為8），和上面的對象成員方式基本一致。

無虛繼承，有虛函數

class TEST2 :  public TEST {
    int a2;
    virtual void func2() {}
};

??生成結果和無虛繼承，無虛函數等同，沒有變化（沒出現虛表指針vfptr），推測為：和父類共用虛表指針。

虛繼承，無虛函數

class TEST2 :  virtual public TEST {
    int a2;
};
//class TEST2   size(32):
//  +---
// 0    | {vbptr}
// 4    | a2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
// 8    | {vfptr}
//16    | d
//24    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??在自身成員變量前，增加指向父類的虛指針(vbptr)，這個虛指針的大小和對齊不與父類相同，但如果自身用更大的基礎變量，同樣會導致vbptr向更大變量對齊：

class TEST2 :  virtual public TEST {
    int a2;
    double d2;
};
//class TEST2   size(48):
//  +---
// 0    | {vbptr}
// 8    | a2
//      | <alignment member> (size=4)
//16    | d2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//24    | {vfptr}
//32    | d
//40    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??圖中可見，TEST2的vbptr的大小變成了8。

虛繼承，有虛函數

class TEST2 :  virtual public TEST {
    int a2;
    double d2;
    virtual void func2() {}
};
//class TEST2   size(56):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 8    | {vbptr}
//16    | a2
//      | <alignment member> (size=4)
//24    | d2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//32    | {vfptr}
//40    | d
//48    | a
//      | <alignment member> (size=4)
//  +---

??在父類虛指針vbptr前，再次出現了自己指向虛表的虛指針vfptr，其大小變化方式和vbptr相同，在這個有double類型的TEST2中，大小都變成了8。

3.總結

三、鉆石繼承結構的內存布局

1.一把梭式的直接繼承

class TEST{
    int a;
    virtual bool func() {}
};

class TEST2 :  public TEST {
    int a2;
    virtual void func2() {}
};

class TEST3 : public TEST {
    int a3;
    virtual void func3() {}
};

class TEST4 : public TEST2, public TEST3 {
    int a4;
    virtual void func4() {}
};

//class TEST    size(8):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | a
//  +---
//class TEST2   size(12):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST)
// 0    | | {vfptr}
// 4    | | a
//  | +---
// 8    | a2
//  +---
//TEST3與TEST2一致
//.....
//class TEST4   size(28):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST2)
// 0    | | +--- (base class TEST)
// 0    | | | {vfptr}
// 4    | | | a
//  | | +---
// 8    | | a2
//  | +---
//12    | +--- (base class TEST3)
//12    | | +--- (base class TEST)
//12    | | | {vfptr}
//16    | | | a
//  | | +---
//20    | | a3
//  | +---
//24    | a4
//  +---

??和前面說的一樣，都是直接堆放，可以發現，TEST2和TEST3的空間中，各有一個TEST。

2.各層虛繼承

??我們將上圖從上到下分為1,2,3三層。

①2對1層單個虛繼承實驗

class TEST2 : virtual public TEST {
    int a2;
    virtual void func2() {}
};
//其他不變

//class TEST2   size(20):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | {vbptr}
// 8    | a2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//12    | {vfptr}
//16    | a
//  +---
//class TEST4   size(36):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST2)
// 0    | | {vfptr}
// 4    | | {vbptr}
// 8    | | a2
//  | +---
//12    | +--- (base class TEST3)
//12    | | +--- (base class TEST)
//12    | | | {vfptr}
//16    | | | a
//  | | +---
//20    | | a3
//  | +---
//24    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//28    | {vfptr}
//32    | a
//  +---

??TEST2變成了前面虛繼承，有虛函數的情況，而TEST4因為未采取虛繼承，依舊是直接把TEST2直接放在前面

②2對1層雙虛繼承實驗

//對TEST3做與TEST2相同的變化，既變為虛繼承

//class TEST4   size(36):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST2)
// 0    | | {vfptr}
// 4    | | {vbptr}
// 8    | | a2
//  | +---
//12    | +--- (base class TEST3)
//12    | | {vfptr}
//16    | | {vbptr}
//20    | | a3
//  | +---
//24    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//28    | {vfptr}
//32    | a
//  +---

??TEST4的粗暴堆放沒有變化，但TEST只有一個了！

③2對1層全虛繼承，3對2層單虛繼承

class TEST4 : virtual public TEST2, public TEST3 {
    int a4;
    virtual void func4() {}
};
//class TEST4   size(36):
//  +---
// 0    | +--- (base class TEST3)
// 0    | | {vfptr}
// 4    | | {vbptr}
// 8    | | a3
//  | +---
//12    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//16    | {vfptr}
//20    | a
//  +---
//  +--- (virtual base TEST2)
//24    | {vfptr}
//28    | {vbptr}
//32    | a2
//  +---

??TEST4只堆放TEST3，TEST2不再被堆放，但TEST4的父節點指針vbptr和虛表指針vfptr都未出現。

④全虛繼承

//class TEST4   size(44):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | {vbptr}
// 8    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//12    | {vfptr}
//16    | a
//  +---
//  +--- (virtual base TEST2)
//20    | {vfptr}
//24    | {vbptr}
//28    | a2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST3)
//32    | {vfptr}
//36    | {vbptr}
//40    | a3
//  +---

??TEST4的vfptr和vbptr同時出現了！

⑤3對2層全虛繼承，2對1層非全虛繼承

//class TEST4   size(44):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | {vbptr}
// 8    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST2)
//12    | +--- (base class TEST)
//12    | | {vfptr}
//16    | | a
//  | +---
//20    | a2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//24    | {vfptr}
//28    | a
//  +---
//  +--- (virtual base TEST3)
//32    | {vfptr}
//36    | {vbptr}
//40    | a3
//  +---

??TEST2再次堆放TEST空間，并且TEST3也指向一個TEST空間，可以看出2對1層未全虛繼承，就無法消除存在多個TEST的歧義。

⑥更多繼承

??如果有后續的繼承結構，例如下面：

class TEST4 : virtual public TEST2, public TEST3 {
    int a4;
    virtual void func4() {}
};

class TEST5 : public TEST3 {
    int a5;
    virtual void func5() {}
};

class TEST6 : virtual public TEST4, virtual public TEST5 {
    int a6;
    virtual void func6() {}
};

//class TEST6   size(64):
//  +---
// 0    | {vfptr}
// 4    | {vbptr}
// 8    | a6
//  +---
//  +--- (virtual base TEST)
//12    | {vfptr}
//16    | a
//  +---
//  +--- (virtual base TEST2)
//20    | {vfptr}
//24    | {vbptr}
//28    | a2
//  +---
//  +--- (virtual base TEST4)
//32    | +--- (base class TEST3)
//32    | | {vfptr}
//36    | | {vbptr}
//40    | | a3
//  | +---
//44    | a4
//  +---
//  +--- (virtual base TEST5)
//48    | +--- (base class TEST3)
//48    | | {vfptr}
//52    | | {vbptr}
//56    | | a3
//  | +---
//60    | a5
//  +---

??如果TEST4和TEST5未保證對TEST3的虛繼承，TEST6就會存在兩個TEST3，不過TEST依舊只存在一個。
??不過這種情況下，TEST4對TEST2是否為虛繼承就無關緊要了

3.結論

??2對1層的雙虛繼承，就足夠保證消除二義性，如果保證TEST4這一層未來不會繼續被繼承，可以不用保證3對2層的雙虛繼承，這樣能省下兩個虛指針的空間；如果有后續的繼承，那么要根據需要（是否要消除歧義、繼承圖的樣子等），來選擇是否要虛繼承。

最后編輯于：2019.03.29 10:18:55

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C++內存對齊及內存布局

C++內存對齊及內存布局

前言

基本調試方法

一、內存對齊

1.單個變量

2.多個變量

3.多變量實驗

4.內存對齊規則

數組成員

非基礎類型成員

5.更大的對齊

6.結論

7.其他有關內存布局的C++特性與函數

二、繼承、帶有虛函數、虛繼承的內存布局

1.單個類

2.繼承

3.總結

三、鉆石繼承結構的內存布局

1.一把梭式的直接繼承

2.各層虛繼承

①2對1層單個虛繼承實驗

②2對1層雙虛繼承實驗

③2對1層全虛繼承，3對2層單虛繼承

④全虛繼承

⑤3對2層全虛繼承，2對1層非全虛繼承

⑥更多繼承

3.結論

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C++內存對齊及內存布局

前言

基本調試方法

一、內存對齊

1.單個變量

2.多個變量

3.多變量實驗

4.內存對齊規則

數組成員

非基礎類型成員

5.更大的對齊

6.結論

7.其他有關內存布局的C++特性與函數

二、繼承、帶有虛函數、虛繼承的內存布局

1.單個類

2.繼承

3.總結

三、鉆石繼承結構的內存布局

1.一把梭式的直接繼承

2.各層虛繼承

①2對1層單個虛繼承實驗

②2對1層雙虛繼承實驗

③2對1層全虛繼承，3對2層單虛繼承

④全虛繼承

⑤3對2層全虛繼承，2對1層非全虛繼承

⑥更多繼承

3.結論

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