奇怪的C ++内存分配

Question

我用C ++创建了一个简单的类Storer，玩内存分配。它包含六个字段变量，所有这些变量都在构造函数中分配：

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

我对如何存储这些变量感兴趣，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;

我对输出非常感兴趣：

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超出了它的需要？这证实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

确认确实正在不必要地分配3个字节。任何人都可以向我解释为什么会这样吗？感谢。

Answer 1

数据对齐和编译器填充说嗨！

CPU没有类型的概念，它在32位（或64位，或128位（SSE）或256位（AVX）中得到什么 - 让我们保持简单32）寄存器需求正确对齐，以便正确有效地处理。想象一个简单的场景，你有一个char，然后是一个int。在32位架构中，char为1字节，整数为4字节。

32位寄存器必须在其边界上断开，只占用整数的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所有内容都得到有效处理。这意味着根据相关类型添加一定量的填充。

为什么错位是一个问题？

计算机不是人类，它不能用一双眼睛和大脑来挑选它们。它必须是非常确定的，并且对于如何做事情持谨慎态度。首先，它加载一个包含给定信息的n个字节的块，将其移动以便修剪掉不相关的信息，然后另一个块再次移出一堆不必要的字节，这些字节与手头的操作没有任何关系。只有这样才能做必要的操作。通常你有两个操作数，这只是一个完整的操作数。当你完成所有这些工作时，才能真正处理它。当您可以简单地对齐数据时，会产生太多的性能开销（大多数情况下，如果您没有做任何花哨的事情，编译器会为您执行此操作）。

你能看到它吗？

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字节是4字节的int，在4字节访问边界上进行颜色编码（我们正在谈论一个32位寄存器）。底部的“相反部分”显示了一个理想的设置，其中int正确地击中了寄存器（字符在图像的某处被填充为服从）：

阅读更多有关数据对齐的内容，当您处理SSE（128位regs）或AVX（256位regs）等指令集的精彩扩展时非常方便，因此必须特别小心，以便矢量化的优化不会失败（对齐SSE的16字节边界，16 * 8 - > 128位）。

关于用户定义的对齐的附加说明

phonetagger 在评论中提出了一个有效点，即pragma指令可以通过预处理器分配给强制编译器，以便以用户程序员指定的方式对齐数据。但是像#pragma pack(...)这样的指令是编译器的一个声明，你知道你正在做什么以及什么是最适合你的。确保你这样做，因为如果你无法适应你的环境，你可能会受到各种处罚 - 最显而易见的是使用你自己没有编写的外部库，这些库在打包数据的方式上有所不同。

当他们发生冲突时，事情就会爆炸。在这种情况下，最好是建议谨慎，并且真正与手头的问题保持密切联系。如果您不确定，请将其保留为默认值。如果你不确定但是必须使用SSE之类的东西，其中对齐为王（而不是默认也不是简单的），请在线查询各种资源或在此处提出另一个问题。

Answer 2

我会做一个类比来帮助你理解。

假设有一条长条面包并且你有一台切割机可以切成相同厚度的切片。然后你给这些面包，让我们说儿童。每个孩子都会拿起他们的面包并公平地做他们想做的事情（把Nutella放在他们身上然后吃饭等）。他们甚至可以用它做出更薄的切片并像这样使用它。

如果有一个孩子来找你，并说他不想让每个人都吃到这片，而是更薄片，那么你就会遇到困难，因为你的切割机经过优化可以减少至少一个最小量，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其它复杂性，就像引入两种切割模式一样。你不希望这样。最终你放弃了，无论如何只是给了他一大片。

这就是它发生的原因。希望你能与这个类比联系起来。

Answer 3

数据对齐是char分配了4个字节的原因：Data alignement

Answer 4

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sizeof(char)进行检查。其他三个字节是 padding ，编译器会插入这些字节以优化对类的其他成员的访问。取决于硬件，当它们位于可被4整除的地址时，访问多字节类型（例如，4字节整数）通常要快得多。编译器可以在int成员之前插入最多三个字节的填充，以使其与良好的内存地址对齐，以便更快地访问。

如果您想体验类布局，可以使用名为offsetof的便捷操作。它需要两个参数 - 成员的名称和类的名称，它返回从结构的基址到内存中成员的位置的字节数。

cout << offsetof(Storer, x) << endl;
cout << offsetof(Storer, y) << endl;
cout << offsetof(Storer, z) << endl;

Answer 5

结构成员以特定方式对齐。通常，如果您想要最紧凑的表示，请按降序排列大小列出成员。

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