c++类型内存分配规则

Posted 2022-12-10 zkccpro

c++类型内存分配规则

本文试图回答这样3个问题：

• c语言结构体内存对齐的规则？
• class、enum、union的作用和区别？
• VC等主流编译器究竟是如何管理一个类的分配空间的？

一、c语言结构体内存对齐规则

这是一个c语言类型内存分配最基本的问题了，我以前看到的一些说法经过自己的测试并不完全正确，学会了这个思路之后，以后再被问到这个问题就再也不怕了！

首先看一段代码：

class A
    char a;//1B
    double b;//8B
    int c;//4B
;
int main()
    cout<<sizeof(A)<<endl;

你说A类型的大小是多少？照我以前的认知，会觉得A类在32位编译后占16B，64位编译后20B。这种想法是 错误 的！今天用VC验证了一下，其实编译器处理结构体字节对齐的规则与编译位数无关！

上段代码的A类占了24B空间！（很遗憾，照我之前的想法就要掉入大坑了。。。）24B这个答案在GNU和VC下均得到了验证。接下来我们来看看为什么是这个答案。

规则1：类内成员存放的起始相对地址必须是其对齐大小的整数倍

这里碰到一个新概念：对齐大小。这在第三条规则细说，现在先认为对齐大小就是其自身类型大小即可。

先用规则1分析一下A类的大小：

​ 图1 按照规则1分析A类的大小

容易想清楚，a和b之间并不是紧密无间的，而是被填充了7B，**这样是确保b的起始地址是8的整数倍。**不过，仅按照规则1分析，并不能得出正确答案24B，还差4B。。。这就需要规则2了。

规则2：类的占用大小必须是其最大成员变量对齐大小的整数倍；如不是，则需上调

用这条规则很容易分析出正确答案，24B：

图2 按规则2分析A类的大小

A类的最大成员对齐大小为8B。而按规则1计算后A类占有20B，不是8的倍数，所以需上调至24B。

规则3：c++类类型的对齐大小是其最大成员对齐大小，内置类型的对齐大小则是其类型大小

有了规则1和2，我们还并不能推导出所有情况：当类成员中含有类类型时，对齐大小就不是其类型大小了！

比如A类，其对齐大小应是8B，而不是其类型大小24B。这一点我在VC和GNU上都已测试过，代码就不展示了。

• 最后，有了以上3个规则在心中，再也不怕被问到字节对齐的问题了！

二、 class、enum、union的作用和区别

这个话题其实很经典，任何c/c++程序员都应该说出它们的基本用法和区别。。但我翻看了一下我曾经的所有笔记，竟然没有任何一篇涉猎到这个话题！今天借此给补上！

1. class与struct

c语言并没有class这个关键字，在c++看来class和struct大部分情况都可以通用。毕竟c++被创造出来的初衷实际是作为“better c”，“c with classes”。所以在c语言中只对数据的封装，与c++中对数据、方法的封装实际上应该是一回事。

细枝末节的区别在于两点：class和struct的默认成员访问级别不同；class和struct的默认继承级别不同。在实际c++工程开发中，我们大部分情况可以忽略二者的区别，当你觉得自己需要一种c风格的数据封装、并且方法只有数据的get,set，那就用struct。其他情况都用class。这就不会出什么大问题。。

2. enum的“前世今生”

众所周知，c/c++的发展历程粗略可以分为3个阶段：c语言 -> c++98 -> c++11

而在这3个阶段中，enum的用法均有一些改变，下面简单说说这个话题：

• c语言中的enum和c++98中的enum：

  支持c结构体风格的声明和定义形式，不支持自定义存储类型：

  //test with gcc
  //test with g++ -std=c++98
  enum Aa,b,c aa;//可以
  enum Aa,b,c;//可以
  enum A:inta,b,c;//不行
  

• c++11中的enum：

  c++11对enum的改进在于：

  1. enum可以当作一个封装手段了！（当然你也可以选择不封装）

  2. enum 支持自定义存储类型了，指定了不同的存储类型意味着枚举占用大小即为该类型大小。

  //test with g++ -std=c++11
  enum A:chara,b,c;//可以，a对外可见
  //sizeof (A) => 1
  enum class Aa,b,c;//可以，a对外不可见
  //sizeof (A) => 4 (默认存储类型为int)
  

• 最后，关于enum在c++工程开发中的惯用法：

  其实enum关键字在c语言中被创造出来的初衷是：宏太多了，把一些相关的宏写在一起方便管理，所以直到c++11之前并没有对enum作封装的用法。

  但在面向对象的开发范式中，如果enum没有封装功能的话，很容易形成作用域污染，引起名称冲突！

  所以，一个c++2.0中好的编程习惯是：避免单独使用enum，而要尽可能使用enum class。

3. 不咋常用的union

union在现代c++中是一个比较冷门的关键字了。虽然用侯捷提到的一种编程技巧可以稍微节省类分配空间，但这却带来类似c风格的“恼人”写法！因此在c++中很少出现union。尽管如此，我们还是要了解一下union的机制，因为工作中或许你就会“很不幸地”遇到了一些c代码接口，而你不得不去通读它以明白其工作机制，而一般在c代码库中还是会用到很多的union的。。

union A
    int a;
    double b;
;

我们需要知道的是，**union的类型大小是其最大成员的类型大小。**关于一些c语言用union在类内节省空间的“奇淫技巧”，不了解也罢。（你用我推荐，我用我不用。。）

三、 VC等主流编译器究竟是如何管理一个类的分配空间

看标题这句话可能有点看不懂啊！啥意思呢：前面我们已经搞懂了c++编译器确保在运行时给一个类分配多大空间的问题，比如：

sizeof(A);

上面的sizeof关键字可以给出A类的类型大小，但这个类型大小也只是语言层面抽象给我们的。而在语言底层的某些场景中，为了保证语言的抽象能正确运作，为一个类分配的真正大小可能并不是sizeof(A)。接下来我通过侯捷老师的课程简单分析一下这些情况：

1. 堆区分配和栈区分配的不同

c/c++编译器更“愿意”处理栈区的“值语义”变量，因为堆区的对象语义需要付出的代价也更高昂。这体现在：栈可以依靠汇编级别的栈指针运动机制（后面的文章会从汇编的层面介绍发生调用时栈指针的动作）严格保证所有自动变量的分配与释放。操作也相对简单，几行汇编代码即可实现；而堆区对象的分配和释放则远远没有那么简单！它需要malloc的一套复杂的机制确保其运行正确，不出现底层内存失去管理的情况。堆区内存管理最首要的问题就是：如何确定某片内存是被分配过的？

比如，一个经典的问题是：为什么malloc函数需要指定分配空间的字节数，而free却只需指定对象就行了？这说明free肯定通过某种方法提前获知了该对象分配时占用的内存。这就需要分配内存时，额外给对象的内存外层套上一对"cookie片“，用于标记该对象分配的大小：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fqJA09pA-1651063806887)(D:\\资料\\CSDN博文\\新增博客\\c++专栏新增\\c++类型内存规则-3.jpg)]

​ 图3 在对象（堆）内存的外层套上cookie以确保free可以找到正确的释放位置

2. 堆区数组与堆区变量分配的不同

想想我们在c++中是怎么释放动态数组的内存？是不是用delete[]？那delete[]和delete有啥区别？这要追溯到动态数组（堆区数组）和堆区变量分配上的不同。首先，来确定一下动态数组（堆区数组）和堆区变量指的是啥？

int* arr=new int[3];//动态数组（堆区数组）
int* a=new int;//堆区变量

​ 图4 和堆区变量比，堆区数组多了一个”数组大小标志：3“

可以看到，多了4字节的数组大小标志，来记录堆区数组的长度，以便多次调用delete，这是为了可以调用到数组中每个对象的析构函数，防止类中含有指针，造成泄露！

另外，图4比图3还多了一个pad填充，这和结构体字节对齐不要搞混！堆区内存分配时的pad才是为了向8字节对齐而进行的填充，而结构体字节对齐从来没有”向8字节对齐“的这种说法！

3. VC中debug模式和release模式分配的不同

这个从表面上看很好理解，debuger需要为每个变量记录一些额外信息，所以在内存分配的时候自然要增加一些空间占用，具体用来干啥的这个有点深奥了，暂时还研究不透啊哈哈哈。。。

​ 图5 和release模式相比，debug模式在内存分配上的增加

可以作为扩展知识了解一下，VC下dubug模式的做法是在对象内存前加上32B的调试头，后面加上4B的调试尾。最后别忘了向8B对齐做填充。

• 最后，对于 VC等主流编译器究竟是如何管理一个类的分配空间 这部分知识的逻辑一定要清晰，栈上值语义变量的分配根本不会有“cookie”和“数组大小标志”这种额外分配机制，这些额外分配机制是为了确保堆区内存释放正确而专门定制的！而对于栈上的debug模式我理解还是会分配额外调试头尾的。