C C++内存对齐以及特殊类的大小

柔光的暖阳◎ 2024-03-30 14:12 33阅读 0赞

#### 目录 ####

*  内存对齐
 *   *  内存对齐现象
     *  内存对齐规则
     *  为什么存在内存对齐
 *  空类大小为1
 *  存在成员函数or静态变量的类
 *   *  存在成员函数时的大小
     *  含有静态变量的类大小
 *  存在虚函数时的类
 *  存在继承关系的类
 *   *  普通派生类
     *  基类存在虚函数的派生类
     *  多重继承的派生类
     *  虚继承的派生类--虚基表！

## 内存对齐 ##

### 内存对齐现象 ###

C语言中结构体的大小往往**不是结构体中各种数据类型的加和**，因为存在**内存对齐**;

struct S
    {
        
        double d;//8字节
        char c;//1字节
        int i;//4字节
    };
    int main() {
        
        
        cout << sizeof(S) << endl;//输出S结构体的大小
        return 0;
    }

运行结果:

![在这里插入图片描述][366259df79af4aeeae91d7f0e4bde489.png]

S结构体大小是16字节，显然不是结构体内部各类型加和的8+1+4=13字节;

### 内存对齐规则 ###

1.  结构体的第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2.  其他成员变量的偏移量要对齐到**对齐数**的**整数倍的地址处**。

> **对齐数**: **min**(编译器默认的一个对齐数, 该成员类型大小 );
> 
> VS中默认的值为8 Linux中的默认值为4，这个**默认对齐数可以用\#pragma pack(num)预处理指令进行修改**

1.  **结构体总大小**为**最大对齐数**（**每个成员变量**确定选出的**较小对齐数中最大的那个对齐数字**）的**整数倍**
    
    > 注意，最大对齐数不一定包含VS平台那个默认8字节对齐数,假设每个成员大小都小于8，那么最大对齐数就是那些成员中最大的类型值

下面分析S结构体为何大小为16字节:

![在这里插入图片描述][2be946aca60244468fdc4d5c1400fddd.png]

### 为什么存在内存对齐 ###

**性能原因:**

**CPU的优化规则**：

**与CPU命中率有关**，大致原则是这样的：对于n字节的元素（n=2,4,8,…），它的首地址能被n整除，才能获得最好的性能。

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**。

> 所以内存对齐本质上是一种**空间换时间的优化**;(现代内存空间大大的多,更偏向注重时间效率了)
> 
> 小tips: 根据内存对齐的特征,设计结构体时,同样个数与类型的变量，让较小的成员聚集在一起可以节省空间！

## 空类大小为1 ##

![在这里插入图片描述][e8252e55deac464cba0fabf456277418.png]

1.  空类同样可以被实例化,**为了区分空类实例化出来的不同对象, 那么就要保证每个实例能放入内存中的唯一地址**;
2.  **如果这个类的大小为0的话无法放入内存！所以C++会强制给空类一个缺省成员，大小为1字节**（跟个char一样）;

> 如果有该空类有了自定义的成员变量，那么成员变量将取代顶替掉这个缺省成员

## 存在成员函数or静态变量的类 ##

### 存在成员函数时的大小 ###

struct S //class S
    {
        
        char c;//1字节
        int i;//4字节
        double d;//8字节
        void fun() {
         cout << 1 << endl; }
        void fun2() {
         cout << 1 << endl; }
        void fun3() {
         cout << 1 << endl; }
    };
    int main() {
        
    
        cout << sizeof(S) << endl;
        return 0;
    }

运行结果:  
![在这里插入图片描述][aa1348ff49fc4979a3de950766eca766.png]

可以看到大小还是16字节，这是因为**不管有多少成员函数，每个函数的地址都是只有一份且存放在内存中的.text只读代码段的**,这是一种**省空间的做法**;

> 试想，如果函数的地址和普通变量一样开空间放在每个实例化的对象中，那么同一个结构体或者类实例化n个对象，难道要多出n个指向相同函数的函数指针来调用吗，显然这样是浪费空间的，各个实例化的对象因为是同一种类型，调用的都是同一个函数，一份就够了;  
> ![在这里插入图片描述][f4dcce0e68b44d6d99bd3ccb20e6dea3.png]

C++中引入了class类的概念，类同样与struct结构体一样遵守内存对齐规则，但是因为类可能具有**虚函数表指针**，这个需要拉出来单独分析;

### 含有静态变量的类大小 ###

![在这里插入图片描述][50c4e633d9934c239c2c649ce6d3c45f.png]

可以看到还是4字节，因为static变量整个类只有一份，和函数一样也是放在类外，在全局数据段;  
![在这里插入图片描述][2bdc52be02c64faba16e3e52084312d9.png]

## 存在虚函数时的类 ##

![在这里插入图片描述][85655fb091914df2b29a65d6a36aeb0a.png]

原因:

C++中的**虚函数是为了通过继承实现多态的一种设计**;

如果**一个类中存在虚函数，那么这个类的成员最开始的内存位置隐式的多了一个指针**，这个指针**叫虚表指针,它指向了一张虚表(函数数组)的首地址**,因此大小是4or8字节(取决于32位还是64位);这个**虚表里面存的是各个对应的虚函数的地址**(多态的底层原理,这里不深究);

> 每个实例化对象存一份虚表指针的**意义是**，多态通过基类的指针或者引用调用不同的派生类方法时候，是通过通过这个虚表指针**达到的多态的效果**

![在这里插入图片描述][02bdf120775a4c08bbcf60b225ef737f.png]

通过观察可以发现，**无所增加多少虚函数**，该类的类型大小都不会变，**只是多了一个虚表指针**，因为增加的**虚函数也是存放在.text代码只读段**，地址可以通过虚表指针找到，不用在每个实例对象中都存一份，在这个类中有一份及OK了！

## 存在继承关系的类 ##

### 普通派生类 ###

![在这里插入图片描述][cbbf25725bce4a71b1f8cf91cbd37998.png]

**派生类会存放基类中非静态数据成员(A中的a)的副本**。

### 基类存在虚函数的派生类 ###

显然是多态场景:

![在这里插入图片描述][672bbb4496bb43f2b455e925dff40e2c.png]

那么B类的前四or八个字节放的是虚表指针，等价于存在虚函数时的类; 之后算上A::a的副本和B::b,一共就是12个字节大小！

### 多重继承的派生类 ###

![在这里插入图片描述][a2616dae7e924af18612a26c607b2735.png]

C类大小需要算上其基类B和C中**非静态数据成员长度**以及**是否需要存在虚表指针的情况(看基类中是否存在虚函数)加和**。

### 虚继承的派生类–虚基表！ ###

![在这里插入图片描述][b5e1bcdd74a445a8bf3eef9c272cf320.png]

B中不止存放了A中a变量的副本还有B的b，还存在了一个**虚基表的指针**

(解决菱形继承用的，与虚表是俩概念)

关于虚基表的问题可以参照我的[这篇博客][Link 1]

[366259df79af4aeeae91d7f0e4bde489.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/b5fdbbf584834101914e4eab1c65be5d.png
[2be946aca60244468fdc4d5c1400fddd.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/d5a8437a70a746e3ba962ca77d9da4b2.png
[e8252e55deac464cba0fabf456277418.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/6ff816f8ed9b49739a0e7b9d8ccdc1a7.png
[aa1348ff49fc4979a3de950766eca766.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/98e5f5e9478b4c8985e39c9e47bfae3c.png
[f4dcce0e68b44d6d99bd3ccb20e6dea3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/c39ae9ccf87a452492f3c294856da094.png
[50c4e633d9934c239c2c649ce6d3c45f.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/9cc06db6a44d412da2fd19f28c796afb.png
[2bdc52be02c64faba16e3e52084312d9.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/c6f790f6a90d4919a74a184a2ace6e47.png
[85655fb091914df2b29a65d6a36aeb0a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/4a32d1b6fcab42aea9ab333641ad307b.png
[02bdf120775a4c08bbcf60b225ef737f.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/8aead115b8eb43cbb86f58dd0499a3bf.png
[cbbf25725bce4a71b1f8cf91cbd37998.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/02dbab1a074b4dfc89fbfbb4b1016911.png
[672bbb4496bb43f2b455e925dff40e2c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/4a29b74826ee433fbcb47936aa340bb2.png
[a2616dae7e924af18612a26c607b2735.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/87dbbd9c58c1492b8b02ae2c5f650f35.png
[b5e1bcdd74a445a8bf3eef9c272cf320.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/7a0833f2e37e4ca8ad8a91bd30608fec.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/wtl666_6/article/details/128751329