C++ 類和結構體所占內存大小


類所占內存:

 

類所占內存的大小是由成員變量(靜態變量除外)決定的,成員函數(這是籠統的說,后面會細說)是不計算在內的。

摘抄部分:

成員函數還是以一般的函數一樣的存在。a.fun()是通過fun(a.this)來調用的。所謂成員函數只是在名義上是類里的。其實成員函數的大小不在類的對象里面,同一個類的多個對象共享函數代碼。而我們訪問類的成員函數是通過類里面的一個指針實現,而這個指針指向的是一個table,table里面記錄的各個成員函數的地址(當然不同的編譯可能略有不同的實現)。所以我們訪問成員函數是間接獲得地址的。所以這樣也就增加了一定的時間開銷,這也就是為什么我們提倡把一些簡短的,調用頻率高的函數聲明為inline形式(內聯函數)。

(一)
class CBase 

}; 
sizeof(CBase)=1;

為什么空的什么都沒有是1呢?
c++要求每個實例在內存中都有獨一無二的地址。//注意這句話!!!!!!!!!!
空類也會被實例化,所以編譯器會給空類隱含的添加一個字節,這樣空類實例化之后就有了獨一無二的地址了。所以空類的sizeof為1。

(二)

class CBase 

int a; 
char p; 
}; 
sizeof(CBase)=8;
記得對齊的問題。int 占4字節//注意這點和struct的對齊原則很像!!!!!
char占一字節,補齊3字節

(三)
class CBase 

public: 
CBase(void); 
virtual ~CBase(void); 
private: 
int  a; 
char *p; 
}; 
再運行:sizeof(CBase)=12

C++ 類中有虛函數的時候有一個指向虛函數的指針(vptr),在32位系統分配指針大小為4字節。無論多少個虛函數,只有這一個指針,4字節。//注意一般的函數是沒有這個指針的,而且也不占類的內存。

(四)
class CChild : public CBase 

public: 
CChild(void); 
~CChild(void); 

virtual void test();
private: 
int b; 
}; 
輸出:sizeof(CChild)=16;
可見子類的大小是本身成員變量的大小加上父類的大小。//其中有一部分是虛擬函數表的原因,一定要知道

父類子類共享一個虛函數指針

(五)

#include<iostream.h>

class a {};

class b{};

class c:public a{

virtual void fun()=0;

};

class d:public b,public c{};

int main()

{

cout<<"sizeof(a)"<<sizeof(a)<<endl;

cout<<"sizeof(b)"<<sizeof(b)<<endl;

cout<<"sizeof(c)"<<sizeof(c)<<endl;

cout<<"sizeof(d)"<<sizeof(d)<<endl;

return 0;}

程序執行的輸出結果為:

sizeof(a) =1

sizeof(b)=1

sizeof(c)=4

sizeof(d)=8

前三種情況比較常見,注意第四種情況。類d的大小更讓初學者疑惑吧,類d是由類b,c派生邇來的,它的大小應該為二者之和5,為什么卻是8 呢?這是因為為了提高實例在內存中的存取效率.類的大小往往被調整到系統的整數倍.並采取就近的法則,里哪個最近的倍數,就是該類的大小,所以類d的大小為8個字節.

總結:

空的類是會占用內存空間的,而且大小是1,原因是C++要求每個實例在內存中都有獨一無二的地址。

(一)類內部的成員變量:

  • 普通的變量:是要占用內存的,但是要注意對齊原則(這點和struct類型很相似)。
  • static修飾的靜態變量:不占用內容,原因是編譯器將其放在全局變量區。

(二)類內部的成員函數:

  • 普通函數:不占用內存。
  • 虛函數:要占用4個字節,用來指定虛函數的虛擬函數表的入口地址。所以一個類的虛函數所占用的地址是不變的,和虛函數的個數是沒有關系的
 
結構體所占內存:
 

 

結構體存在內存對齊,類(對象)也如此,甚至於所有變量在內存中的存儲也有對齊一說(只是這些對程序員是透明的,不需要關心)。實際上,這種對齊是為了在空間與復雜度上達到平衡的一種技術手段,簡單的講,是為了在可接受的空間浪費的前提下,盡可能的提高對相同運算過程的最少(快)處理。先舉個例子:

    假設機器字長是32位的(即4字節,下面示例均按此字長),也就是說處理任何內存中的數據,其實都是按32位的單位進行的。現在有2個變量:    

  1. char A; 
  2. int B; 

     假設這2個變量是從內存地址0開始分配的,如果不考慮對齊,應該是這樣存儲的(見下圖,以intel上的little endian為例,為了形象,每16個字節分做一行,后同):

    因為計算機的字長是4字節的,所以在處理變量A與B時的過程可能大致為:

    A:將0x00-0x03共32位讀入寄存器,再通過左移24位再右移24位運算得到a的值(或與0x000000FF做與運算)

    B:將0x00-0x03這32位讀入寄存器,通過位運算得到低24位的值;再將0x04-0x07這32位讀入寄存器,通過位運算得到高8位的值;再與最先得到的24位做位運算,才可得到整個32位的值。

    上面敘述可知,對a的處理是最簡處理,可對b的處理,本身是個32位數,處理的時候卻得折成2部分,之后再合並,效率上就有些低了。

    想解決這個問題,就需要付出幾個字節浪費的代價,改為下圖的分配方式:

 

    按上面的分配方式,A的處理過程不變;B卻簡單得多了:只需將0x04-0x07這32位讀入寄存器就OK了。

    我們可以具體談結構體或類成員的對齊了:

    結構體在編譯成機器代碼后,其實就沒有本身的集合概念了,而類,實際上是個加強版的結構體,類的對象在實例化時,內存中申請的就是一些變量的空間集合(類似於結構體,同時也不包含函數指針)。這些集合中的每個變量,在使用中,都需要涉及上述的加工原則,自然也就需要在效率與空間之間做出權衡。

    為了便捷加工連續多個相同類型原始變量,同時簡化原始變量尋址,再匯總上述最少處理原則,通常可以將原始變量的長度做為針對此變量的分配單位,比如內存可用64個單元,如果某原始變量長度為8字節,即使機器字長為4字節,分配的時候也以8字節對齊(看似IO次數是相同的),這樣,尋址、分配時,均可以按每8字節為單位進行,簡化了操作,也可以更高效。

    系統默認的對齊規則,追求的至少兩點:1、變量的最高效加工 2、達到目的1的最少空間 

    舉個例子,一個結構體如下:  

  1. //by www.datahf.net zhangyu
  2. typedef struct T
  3.     char c; //本身長度1字節 
  4.     __int64 d;  //本身長度8字節
  5.     int e;  //本身長度4字節
  6.     short f;  //本身長度2字節
  7.     char g;  //本身長度1字節
  8.     short h;  //本身長度2字節
  9. }; 

    假設定義了一個結構體變量C,在內存中分配到了0x00的位置,顯然:

 

    對於成員C.c  無論如何,也是一次寄存器讀入,所以先占一個字節。

    對於成員C.d  是個64位的變量,如果緊跟着C.c存儲,則讀入寄存器至少需要3次,為了實現最少的2次讀入,至少需要以4字節對齊;同時對於8字節的原始變量,為了在尋址單位上統一,則需要按8字節對齊,所以,應該分配到0x08-0xF的位置。

    對於成員C.e  是個32位的變量,自然只需滿足分配起始為整數個32位即可,所以分配至0x10-0x13。

    對於成員C.f  是個16位的變量,直接分配在0x14-0x16上,這樣,反正只需一次讀入寄存器后加工,邊界也與16位對齊。

    對於成員C.g  是個8位的變量,本身也得一次讀入寄存器后加工,同時對於1個字節的變量,存儲在任何字節開始都是對齊,所以,分配到0x17的位置。

    對於成員C.h  是個16位的變量,為了保證與16位邊界對齊,所以,分配到0x18-0x1A的位置。

    分配圖如下(還不正確,耐心讀下去):

 

    結構體C的占用空間到h結束就可以了嗎?我們找個示例:如果定義一個結構體數組 CA[2],按變量分配的原則,這2個結構體應該是在內存中連續存儲的,分配應該如下圖:  

 

    分析一下上圖,明顯可知,CA[1]的很多成員都不再對齊了,究其原因,是結構體的開始邊界不對齊。

    那結構體的開始偏移滿足什么條件才可以使其成員全部對齊呢。想一想就明白了:很簡單,保證結構體長度是原始成員最長分配的整數倍即可。     上述結構體應該按最長的.d成員對齊,即與8字節對齊,這樣正確的分配圖如下:

 

    當然結構體T的長度:sizeof(T)==0x20;

     再舉個例子,看看在默認對齊規則下,各結構體成員的對齊規則:  

  1. //by www.datahf.net zhangyu
  2. typedef struct A 
  3.     char c;  //1個字節
  4.     int d;  //4個字節,要與4字節對齊,所以分配至第4個字節處
  5.     short e;  //2個字節, 上述兩個成員過后,本身就是與2對齊的,所以之前無填充
  6.  }; //整個結構體,最長的成員為4個字節,需要總長度與4字節對齊,所以, sizeof(A)==12 
  7. typedef struct B 
  8.     char c;  //1個字節
  9.     __int64 d;  //8個字節,位置要與8字節對齊,所以分配到第8個字節處
  10.     int e;  //4個字節,成員d結束於15字節,緊跟的16字節對齊於4字節,所以分配到16-19
  11.     short f;  //2個字節,成員e結束於19字節,緊跟的20字節對齊於2字節,所以分配到20-21
  12.     A g;  //結構體長為12字節,最長成員為4字節,需按4字節對齊,所以前面跳過2個字節,
  13. //到24-35字節處
  14.     char h;  //1個字節,分配到36字節處
  15.     int i;  //4個字節,要對齊4字節,跳過3字節,分配到40-43 字節
  16. }; //整個結構體的最大分配成員為8字節,所以結構體后面加5字節填充,被到48字節。故:
  17. //sizeof(B)==48;

    具體的分配圖如下:

 

 

 上述全部測試代碼如下:

 

  1. //by www.datahf.net zhangyu
  2. #include "stdio.h" 
  3. typedef struct A 
  4.     char c; 
  5.     int d; 
  6.     short e; 
  7.  
  8. }; 
  9. typedef struct B 
  10.     char c; 
  11.     __int64 d; 
  12.     int e; 
  13.     short f; 
  14.     A g; 
  15.     char h; 
  16.     int i; 
  17. }; 
  18. typedef struct C 
  19.     char c; 
  20.     __int64 d; 
  21.     int e; 
  22.     short f; 
  23.     char g; 
  24.     short h; 
  25. }; 
  26. typedef struct D 
  27.     char a; 
  28.     short b; 
  29.     char c; 
  30. }; 
  31. int main() 
  32.  
  33.     B *b=new B; 
  34.     void *s[32]; 
  35.     s[0]=b; 
  36.     s[1]=&b->c; 
  37.     s[2]=&b->d; 
  38.     s[3]=&b->e; 
  39.     s[4]=&b->f; 
  40.     s[5]=&b->g; 
  41.     s[6]=&b->h; 
  42.     s[7]=&b->g.c; 
  43.     s[8]=&b->g.d; 
  44.     s[9]=&b->g.e; 
  45.     s[10]=&b->i; 
  46.     b->c= 0x11; 
  47.     b->d= 0x2222222222222222; 
  48.     b->e= 0x33333333; 
  49.     b->f=0x4444; 
  50.     b->g.c=0x50; 
  51.     b->g.d=0x51515151; 
  52.     b->g.e=0x5252; 
  53.     b->h=0x66; 
  54.     int i1=sizeof(A); 
  55.     int i2=sizeof(B); 
  56.     int i3=sizeof(C); 
  57.     int i4=sizeof(D); 
  58.     printf("i1:%d\ni2:%d\ni3:%d\ni4:%d\n",i1,i2,i3,i4);//12 48 32 6 

運行時的內存情況如下圖:

 

 

最后,簡單加工一下轉載過來的內存對齊正式原則:

 

  先介紹四個概念:

1)數據類型自身的對齊值:基本數據類型的自身對齊值,等於sizeof(基本數據類型)。

2)指定對齊值:#pragma pack (value)時的指定對齊值value。

3)結構體或者類的自身對齊值:其成員中自身對齊值最大的那個值。

4)數據成員、結構體和類的有效對齊值:自身對齊值和指定對齊值中較小的那個值。

  有效對齊值N是最終用來決定數據存放地址方式的值,最重要。有效對齊N,就是表示“對齊在N上”,也就是說該數據的"存放起始地址%N=0".而數據結構中的數據變量都是按定義的先后順序來排放的。第一個數據變量的起始地址就是 數據結構的起始地址。結構體的成員變量要對齊排放,結構體本身也要根據自身的有效對齊值圓整(就是結構體成員變量占用總長度需要是對結構體有效對齊值的整 數倍)

 

#pragma pack (value)來告訴編譯器,使用我們指定的對齊值來取代缺省的。

如#pragma pack (1)  /*指定按2字節對齊*/

#pragma pack () /*取消指定對齊,恢復缺省對齊*/


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