2D区域的内存布局

Posted 2023-02-21

【中文标题】2D区域的内存布局

【英文标题】：Memory layout of 2D area

【发布时间】：2018-03-13 22:59:11

【问题描述】：

内存中的二维区域布局如何？特别是如果它是一个交错的区域。鉴于，据我了解，内存从 Max 下降到 0 是连续的，计算机是否一个接一个地分配该区域中的每个区域？如果是这样，如果该区域中的一个区域需要调整大小，是否会向下移动所有其他区域以便为新调整的区域腾出空间？

如果需要具体说明：

C++17/14/11

叮当

linux x86

修订：（感谢 user4581301）

我指的是有一个vector<vector<T>>，其中T 是一些已定义的类型。我不是在谈论模板编程，除非这不会改变任何东西。

【问题讨论】：

我们是在谈论 C++ 对内存的看法吗？操作系统的内存视图还是内存的物理地址？对于内存的布局和寻址方式，上述每一个都有不同的想法。

内存的差异会不会完全不一样？

【参考方案1】：

std::vector 如何实现的具体细节因编译器而异，但很可能std::vector 包含一个size_t 成员，用于存储长度和指向存储的指针。它使用您在模板中指定的任何分配器分配此存储，但默认使用new，它将它们从堆中分配。您可能知道这一点，但通常堆是内存中堆栈下方的 RAM 区域，随着堆栈从顶部向下增长，它从底部向上增长，并且运行时通过跟踪它的哪些块是空闲的来管理它。

std::vector 管理的存储是一个连续的对象数组，因此由 T 的 20 个向量组成的向量将至少包含一个存储值 20 的 size_t，以及一个指向由 20 个结构组成的数组的指针每个都包含一个长度和一个指针。这些指针中的每一个都将指向T 的数组，该数组连续存储在内存中。

如果您改为创建一个矩形二维数组，例如T table[ROWS][COLUMNS] 或std::array< std::array<T, COLUMNS>, ROWS >，您将获得一个以行优先顺序存储的单个连续 T 元素块，即：所有元素第 0 行的所有元素，然后是第 1 行的所有元素，依此类推。

如果你事先知道矩阵的维数，矩形数组的效率会更高，因为你只需要分配一块内存。这更快，因为您只需要调用一次分配器和析构器，而不是每行一次，还因为它会在一个地方，不会拆分到许多不同的位置，因此单个块更多可能在处理器的缓存中。

【参考方案2】：

vectors 是动态分配的元素数组周围的瘦包装器。对于vector<vector<T>>，这意味着外部vector 的内部数组包含内部vector 结构，但内部vectors 分别分配和管理自己的内部数组（该结构包含指向托管的指针数组）。

本质上，2D 方面纯粹是在程序逻辑中；任何给定“行”的元素都是连续的，但行之间没有指定的空间关系。

真正的 2D 数组（其中底层内存被分配为单个块）仅在使用 2D 语法 (int foo[10][20];) 和嵌套 std::array 类型或遵循相同基本设计的 POD 类型声明的 C 样式数组中才会发生.

【讨论】：

相关切线：这种空间关系的缺乏会导致缓存行为不佳，并对性能造成惊人的巨大影响。

@user4581301：是的。主要优点是在 OP 提到的调整大小的情况下，因为每个vector 的大小是独立的，并且调整一个vector 的大小只需移动那个vector 的内容，而不是整个二维结构。随机访问速度较慢，但​​调整大小更快，并且每行的大小可以独立。