12

我在 C++ 中创建了一个简单的类 Storer，用于处理内存分配。它包含六个字段变量，所有这些变量都在构造函数中赋值：

int x;
int y;
int z;
char c;
long l;
double d;

我对这些变量的存储方式很感兴趣，所以我编写了以下代码：

Storer *s=new Storer(5,4,3,'a',5280,1.5465);
cout<<(long)s<<endl<<endl;
cout<<(long)&(s->x)<<endl;
cout<<(long)&(s->y)<<endl;
cout<<(long)&(s->z)<<endl;
cout<<(long)&(s->c)<<endl;
cout<<(long)&(s->l)<<endl;
cout<<(long)&(s->d)<<endl;

我对输出很感兴趣：

33386512

33386512
33386516
33386520
33386524
33386528
33386536

为什么 char c 占用四个字节？sizeof(char) 当然返回 1，那么为什么程序分配的内存比它需要的多呢？确认使用以下代码分配了太多内存：

cout<<sizeof(s->c)<<endl;
cout<<sizeof(Storer)<<endl;
cout<<sizeof(int)+sizeof(int)+sizeof(int)+sizeof(char)+sizeof(long)+sizeof(double)<<endl;

打印：

1
32
29

确认确实是不必要地分配了 3 个字节。谁能向我解释为什么会这样？谢谢。

4

5 回答 5

24

数据对齐和编译器填充打个招呼！

CPU 没有类型的概念，它在 32 位（或 64 位、或 128 位 (SSE) 或 256 位 (AVX) - 让我们保持简单的 32 位）寄存器中获得的内容需要正确对齐以便正确有效地处理。想象一个简单的场景，你有一个 char，后跟一个 int。在 32 位架构中，char 为 1 个字节，整数为 4 个字节。

一个 32 位寄存器必须在其边界上中断，只接收整数的 3 个字节，并将第 4 个字节留作“第二次运行”。它无法以这种方式正确处理数据，因此编译器将添加填充以确保有效处理所有内容。这意味着根据所讨论的类型添加一定数量的填充。

为什么错位是个问题？

计算机不是人类，它不能仅仅用一双眼睛和一个大脑来挑选它们。它必须非常确定并谨慎对待如何做事。首先，它加载一个包含给定信息的 n 个字节的块，将其四处移动，以便删除不相关的信息，然后另一个，再次，移出一堆与手头的操作没有任何关系的不必要的字节，然后只有这样它才能进行必要的操作。通常你有两个操作数，这只是一个完整的。当你完成所有这些工作时，你才能真正处理它。当您可以简单地正确对齐数据时（而且大多数时候，如果您没有做任何花哨的事情，编译器会为您做这件事），性能开销太大了。

你能想象一下吗？

视觉上 - 第一个绿色字节是提到的字符，三个绿色字节加上第二个块的第一个红色是 4 字节 int，在 4 字节访问边界上进行颜色编码（我们谈论的是 32 位登记）。底部的“替代部分”显示了一个理想的设置，其中 int 正确命中寄存器（字符被填充到图像之外的某个地方）：

在此处输入图像描述

阅读有关数据对齐的更多信息，当您处理 SSE（128 位 regs）或 AVX（256 位 regs）等指令集的花哨扩展时，这非常方便，因此必须特别小心，以便优化向量化不会失败（在 SSE 的 16 字节边界上对齐，16*8 -> 128 位）。

关于用户定义对齐的附加说明

phonetagger在注释中提出了一个有效的观点，即可以通过预处理器分配编译指示指令以强制编译器以用户、程序员指定的方式对齐数据。但是这样的指令，比如#pragma pack(...)，是对编译器的一个声明，你知道你在做什么，什么最适合你。确保你这样做，因为如果你不能适应你的环境，你可能会遇到各种惩罚——最明显的是使用你没有自己编写的外部库，它们在打包数据的方式上有所不同。

当它们发生冲突时，事情就会爆炸。最好的建议是在这种情况下谨慎行事，并真正了解手头的问题。如果您不确定，请将其保留为默认值。如果您不确定但必须使用对齐为王的 SSE 之类的东西（而且不是默认的，也不是很简单），请在线查阅各种资源或在此处提出另一个问题。

于 2012-06-29T20:10:01.973 回答
5

我打个比方来帮助你理解。

假设有一条长面包，你有一台切割机，可以将它切成等厚的薄片。然后你把这些面包分发给孩子们。每个孩子都拿着他们的面包，公平地做他们想做的事（把 Nutella 放在他们身上然后吃，等等）。他们甚至可以用它制作更薄的切片并像那样使用它。

如果一个孩子来找你，说他不想要每个人都吃的那片，而是更薄的那片，那你就会有困难，因为你的切割机经过优化，至少可以切割最少的量，这让每个人都开心. 但是当一个孩子要求更薄的切片时，你必须重新发明机器或增加机器的复杂性，比如引入两种切割模式。你不想要那个。最终你放弃了，还是给了他一大块。

这与它发生的原因相同。希望你能理解这个类比。

于 2012-06-29T20:08:56.807 回答
3

数据对齐是 char 分配 4 个字节的原因：数据对齐

于 2012-06-29T20:03:09.577 回答
2

char不占用四个字节：它像往常一样占用一个字节。您可以通过打印来检查它sizeof(char)。其他三个字节是编译器插入的填充，以优化对类的其他成员的访问。根据硬件的不同，访问多字节类型（例如 4 字节整数）通常要快得多，因为它们位于可被 4 整除的地址。编译器可以在 int 成员之前插入最多三个字节的填充，以将其与良好的内存地址对齐，以便更快地访问。

如果您想尝试使用类布局，可以使用名为offsetof. 它有两个参数 - 成员的名称和类的名称，它返回从结构的基地址到内存中成员位置的字节数。

cout << offsetof(Storer, x) << endl;
cout << offsetof(Storer, y) << endl;
cout << offsetof(Storer, z) << endl;
于 2012-06-29T20:02:45.077 回答
1

结构成员以特定方式对齐。通常，如果您想要最紧凑的表示，请按大小递减顺序列出成员。

http://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment#Typical_alignment_of_C_structs_on_x86

于 2012-06-29T20:03:21.160 回答