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谈谈对象大小——从字节对齐到对象模型 一. 前言 这篇文章主要介绍以下从c的结构体变量到c++的类对象中编译器对内存分配做的事情。总而言之，言而总之，这篇文章就是讲述对于一个变量(对象)它的内存布局是怎么样子的。 为了方便描述，我们按照以下几个层次来讲述： 1.c中struct的字节对齐 2.从struct到class的过渡 3.单继承对对象内存模型的影响 4.虚函数对对象内存布局的影响 5.多继承对对象内存模型的影响 6.虚基类对对象内存布局的影响 二. c中struct的字节对齐 在谈字节对齐之前，我们先思考一下下面这个结构体大小？ struct node { }; 没错，就是一个空结构体，按道理来说，如果没有数据应该内存大小为0，然而事实上并不是这样。它有一个隐藏的1B大小，那是呗编译器安插进去的一个char,这使得这个struct对应的对象在内存中有独一无二的地址。 下面就来了解字节对齐： 许多计算机系统对基本数据类型变量的地址做了约束，这样做是为了提高bus(总线)对数据存取的效率。比如，我们如果对一个int类型数据进行读写操作；如果int变量地址不是4的倍数，那么数据就会被分割在多个块中，那么cpu读写该变量就要进行多次访存。所以，字节对齐是操作系统对于性能提高的一种策略。 不同的系统中这些策略都是有区别的，例如： Linux系统： 对于2字节数据类型变量地址必须是2的倍数，其余数据类型变量地址必须是4的倍数。 Windows系统： 对于大小为k字节的数据类型变量必须是k的倍数。 而上述中提到的地址必须是x的倍数，换句话说也就是按照k对齐。我们可以更改对齐规则么？可以！不过一般我们不这么做，除非有特殊需求，比如thunk技术。 先看下面这段代码： struct node { char mem1; //sizeof(char) = 1 int mem2; //sizeof(int) = 4 char mem3; }; struct node a; sizeof(a)的值应该是多少呢？ 5？ 12! 如果从未了解过字节对齐的朋友可能对这个答案感到很不可思议，因为这比本应该占的内存(5字节)的两倍还多。 但是事实上，按照上述所说的字节对齐规则来说，得到12这个答案其实并不意外。我们先来看来对齐规则： 1.对于基本数据类型变量按照其字节数大小k对齐。 2.对于结构体类型变量按照其成员中最大对齐量对齐。 ———保证结构体第一个变量满足对齐规则 3.对于结构体类型变量其大小要为其成员最大对齐量的整数倍 ———保证结构体数组中每个元素满足对齐规则。 所以按照上述规则，a的内存布局应该是这样的：
首先，mem1逻辑地址为0，满足按照1字节对齐； —–规则2 这时候分配mem2，因为mem2数据类型为int大小为4个字节，所以需要在中间插入3个字节的间隙，所以mem2的逻辑地址为4； —–规则1 这时候分配mem3，当前逻辑地址为8，满足按照1字节对齐，所以直接分配给mem3 —–规则1 此时逻辑地址已经分配了9字节，然而不满足成员最大对齐量(int对齐量为4字节)的整数倍，所以还需要在最后插入3字节间隙。 —–规则3 可能有的朋友还是对规则3的缘由不是很清楚，为什么还需要最后插入3个字节。如果我们申请一个结构体数组 ： struct node arr[2]; 假如我们最后不进行3个字节的间隙插入，那么很显然，即使arr[0]元素的每个成员满足对齐规则，然而数组要保证元素地址连续，那么必定导致arr[1]的第一个成员一定不满足对齐规则。 如何修改字节对齐的规则呢？请看下面这段代码： #pragma pack(push,1) //使结构体按1字节方式对齐，将原来的对齐规则压栈 struct node { char mem1; int mem2; }; #pragma pack(pop) //恢复原来的对齐规则 //sizeof(node) = 5 三. 从struct到class的过渡 首先，需要注意的一点是，在c++中，我们可以使用struct替换class,因为本质上这两个关键字除了default access section不一样以外，其他都是都无差别。 所以这里说，从struct到class的过渡的实质，只是在这里，我把struct认为一个数据集合体，没有private data,也没有member function等等，虽然struct可以代替class实现private data、member function、继承等等。 后面所谈到的继承派生等等都只是指class。 四.单继承对对象内存模型的影响 首先先来看下这段代码： //带透明通道颜色信息的顶点结构 class ColorAVertex{ public: int _x,_y,_z; unsigned char _r,_g,_b,_a; //颜色rgba三通道值 }; 嗯，经过第二段和第三段的介绍，我们应该很容易推出 sizeof(ColorAVertex) = 16。 不过，经过分析之后，决定将其分裂成三层结构： class Vertex{ int _x,_y,_z; }; class ColorVertex:public Vertex{ public: unsigned char _r,_g,_b; }; class ColorAVertex:public ColorVertex{ public: unsigned char _a; }; 从设计的角度来看，可能这个结构相对更加合理，但是从实现的角度来说，我们发现一个事情：sizeof(ColorAVertex) = 20 嗯，要对这个问题追根溯源，我们就需要了解单继承对对象模型产生的影响。我们可以观察上述两种情况对应产生的对象模型：
可以看出来，在第二种情况，内存布局中间多了一段间隙。而这段间隙的来源就是ColorVertex类要满足规则3.而在ColorAVertex继承ColorVertex的后，_a并不会接着_b之后，而是需要保持那段间隔。因为继承派生是is a 关系，所以在ColorAVertex的内存布局中不能改变ColorVertex的布局结构。不过在其他某些编译器种，并不是这样实现的。 VC++2015 : sizeof(ColorAVertex) = 20 GUN GCC : sizeof(ColorAVertex) = 16 除此之外，还有一些member类型需要注意：static member 和 member function( 不包括 virtual function ) 。这些类型的成员是不会引起对象内存布局的变化的。这些数据成员并不是存在每个对象的内存模型之中。 我们再来看下面这种情况： struct A { }; struct B:A { }; 在上面我们了解到如果member data为空，那么编译器会安插一个char,那么在这段代码中B的大小是2还是1呢？ 事实上，当B继承A之后，因为A已经安插了一个char了，B就不为空了，所以说sizeof(B) = 1。 五.虚函数对对象内存布局的影响 在上一段末尾中提到，member function不影响对象内存布局，但是把virtual function排除开外了。因为virtual function作为c++运行时多态的核心，而为了支持这一特性，在对象内部也添加了相应的一些信息。 例如：下面这段代码： class A { public: int a; virtual void say(){ printf("A::say()\n"); } }; class B:public A { public: int b; void say(){ printf("B::say()\n"); } }; int main() { A* p = ....; p->say(); return 0; } 在以上继承体系中，编译阶段并不能知道A* p真正的类型，而编译阶段就需要进行函数绑定，而真正的函数只有在运行阶段才知道。所以，对象内部必须要存储相应的动态类型信息，这样才能实现动态绑定。而这样的信息就是vptr，也就是虚表指针，指向一个虚函数表。而一个类的虚函数表只有一个，也就是一个类的不同对象vptr值是相同的。 所以说，拥有虚函数的对象，会多4个字节用于存放vptr虚表指针，而存放位置由编译器决定，一般来说不是对象首部，就是尾部。不过大多数编译器都是放在对象首部，也就是说&vptr=&obj。 在单继承体系中，如果一个类的父类中已经有vptr了，那么在子类的虚函数只有可能是新添或者重写。而这些操作都是先复制父类的虚表，然后在其上修改。注意：在单继承体系中，对象内存模型中vptr只有一个，也就是后面的操作都是在vptr对应的虚表上覆盖或者新添。
六.多继承对对象内存模型的影响 在多继承体系中，对象的很多东西就会变得十分复杂，这里我们撇开这些复杂的特殊性不谈。只是简单谈谈在对象内存模型中的影响。 首先看下面这段代码： class Top{ public: int _top; }; class Left: public Top{ public: int _left; }; class Right: public Top{ public: int _right; }; class Bottom: public Left,public Right{ public: int _bottom; };
在继承过程中，由于Bottom继承了Left和Right，导致基类Top在Bottom中有两份实体。所以，Bottom的内存布局如下：
当然，有的时候，这样的重复并不是我们所希望的我，所以对于多继承中，这样的重复继承情况，c++提出了虚拟继承这样的概念来解决。 七.虚基类对对象内存布局的影响 嗯，如果要花篇幅去深究虚基类里面的种种细节，可能再写几千字也不为过。不过在这里我只是简单的介绍，如果类的继承体系中出现了虚基类会对内存布局产生的影响。 虚基类的内存布局难点是在于，既要保证多个继承源的情况下，虚基类只能有一个。并且子类的内存布局中不能改变父类的内存布局模式。这里就不探讨解决方案的相关的。直接给出常规编译器的解决方案之一吧(VC++2015)。如果一个类B虚拟继承自类A。相当于类B组合了一个A对象，并且含有一个指针指向A对象。而基于B对象读取A类的相关data或者function都是通过这个指针。所以说，在子类中，A对象只有一个，其他父类中如果虚拟继承了类A，只不过是把这个指针指向了这个A对象，而这些操作都是子类的构造函数完成的。 观察如下代码： class Top { public: int _top; }; class Left : public virtual Top { public: int _left; }; class Right : public virtual Top { public: int _right; }; class Bottom : public Left, public Right { public: int _bottom; }; 对于该继承体系，Bottom的对象内存布局应该如下：
如果加上了虚函数呢？ class Top { public: int _top; virtual int top(){ return _top; } }; class Left : public virtual Top { public: int _left; virtual int left(){ return _left; } }; class Right : public virtual Top { public: int _right; virtual int right(){ return _right; } }; class Bottom : public Left, public Right { public: int _bottom; virtual int bottom(){ return _bottom; } }; 对于该继承体系，Bottom的对象内存布局应该如下：
对于不同的编译器，对于虚拟继承的内存布局处理方式可能有区别，这里只是按照VC++2015编译器的解决方式来进行说明。 当然，本文章对内存模型的布局原因等没有过多着墨介绍。一是本人能力有限，怕言辞有误。二是的确本身c++标准对内存布局并没有很严格的规定，在各个编译器中有的细节设计也有不同之处。所以这里只是作为简单了解。如果想更进一步了解可以查看<Inside the C++ Object Model>一书。
谈谈对象大小——从字节对齐到对象模型原创YzlCoder 发布于2017-02-02 22:39:24 阅读数 616 收藏展开
一. 前言 这篇文章主要介绍以下从c的结构体变量到c++的类对象中编译器对内存分配做的事情。总而言之，言而总之，这篇文章就是讲述对于一个变量(对象)它的内存布局是怎么样子的。 为了方便描述，我们按照以下几个层次来讲述： 1.c中struct的字节对齐 2.从struct到class的过渡 3.单继承对对象内存模型的影响 4.虚函数对对象内存布局的影响 5.多继承对对象内存模型的影响 6.虚基类对对象内存布局的影响
二. c中struct的字节对齐 在谈字节对齐之前，我们先思考一下下面这个结构体大小？
struct node{};123 没错，就是一个空结构体，按道理来说，如果没有数据应该内存大小为0，然而事实上并不是这样。它有一个隐藏的1B大小，那是呗编译器安插进去的一个char,这使得这个struct对应的对象在内存中有独一无二的地址。 下面就来了解字节对齐：
许多计算机系统对基本数据类型变量的地址做了约束，这样做是为了提高bus(总线)对数据存取的效率。比如，我们如果对一个int类型数据进行读写操作；如果int变量地址不是4的倍数，那么数据就会被分割在多个块中，那么cpu读写该变量就要进行多次访存。所以，字节对齐是操作系统对于性能提高的一种策略。 不同的系统中这些策略都是有区别的，例如： Linux系统： 对于2字节数据类型变量地址必须是2的倍数，其余数据类型变量地址必须是4的倍数。 Windows系统： 对于大小为k字节的数据类型变量必须是k的倍数。 而上述中提到的地址必须是x的倍数，换句话说也就是按照k对齐。我们可以更改对齐规则么？可以！不过一般我们不这么做，除非有特殊需求，比如thunk技术。 先看下面这段代码：
struct node{ char mem1; //sizeof(char) = 1 int mem2; //sizeof(int) = 4 char mem3;};struct node a;1234567 sizeof(a)的值应该是多少呢？ 5？ 12! 如果从未了解过字节对齐的朋友可能对这个答案感到很不可思议，因为这比本应该占的内存(5字节)的两倍还多。 但是事实上，按照上述所说的字节对齐规则来说，得到12这个答案其实并不意外。我们先来看来对齐规则：
1.对于基本数据类型变量按照其字节数大小k对齐。 2.对于结构体类型变量按照其成员中最大对齐量对齐。 ———保证结构体第一个变量满足对齐规则 3.对于结构体类型变量其大小要为其成员最大对齐量的整数倍 ———保证结构体数组中每个元素满足对齐规则。
所以按照上述规则，a的内存布局应该是这样的：
首先，mem1逻辑地址为0，满足按照1字节对齐；—–规则2 这时候分配mem2，因为mem2数据类型为int大小为4个字节，所以需要在中间插入3个字节的间隙，所以mem2的逻辑地址为4；—–规则1 这时候分配mem3，当前逻辑地址为8，满足按照1字节对齐，所以直接分配给mem3—–规则1 此时逻辑地址已经分配了9字节，然而不满足成员最大对齐量(int对齐量为4字节)的整数倍，所以还需要在最后插入3字节间隙。—–规则3
可能有的朋友还是对规则3的缘由不是很清楚，为什么还需要最后插入3个字节。如果我们申请一个结构体数组 ： struct node arr[2];
假如我们最后不进行3个字节的间隙插入，那么很显然，即使arr[0]元素的每个成员满足对齐规则，然而数组要保证元素地址连续，那么必定导致arr[1]的第一个成员一定不满足对齐规则。
如何修改字节对齐的规则呢？请看下面这段代码：
#pragma pack(push,1) //使结构体按1字节方式对齐，将原来的对齐规则压栈struct node{ char mem1; int mem2;};#pragma pack(pop) //恢复原来的对齐规则
//sizeof(node) = 5 123456789
三. 从struct到class的过渡 首先，需要注意的一点是，在c++中，我们可以使用struct替换class,因为本质上这两个关键字除了default access section不一样以外，其他都是都无差别。 所以这里说，从struct到class的过渡的实质，只是在这里，我把struct认为一个数据集合体，没有private data,也没有member function等等，虽然struct可以代替class实现private data、member function、继承等等。 后面所谈到的继承派生等等都只是指class。
四.单继承对对象内存模型的影响 首先先来看下这段代码：//带透明通道颜色信息的顶点结构class ColorAVertex{public: int _x,_y,_z; unsigned char _r,_g,_b,_a; //颜色rgba三通道值};123456 嗯，经过第二段和第三段的介绍，我们应该很容易推出 sizeof(ColorAVertex) = 16。 不过，经过分析之后，决定将其分裂成三层结构：
class Vertex{ int _x,_y,_z;};class ColorVertex:public Vertex{public: unsigned char _r,_g,_b;};class ColorAVertex:public ColorVertex{public: unsigned char _a;};1234567891011 从设计的角度来看，可能这个结构相对更加合理，但是从实现的角度来说，我们发现一个事情：sizeof(ColorAVertex) = 20 嗯，要对这个问题追根溯源，我们就需要了解单继承对对象模型产生的影响。我们可以观察上述两种情况对应产生的对象模型：
可以看出来，在第二种情况，内存布局中间多了一段间隙。而这段间隙的来源就是ColorVertex类要满足规则3.而在ColorAVertex继承ColorVertex的后，_a并不会接着_b之后，而是需要保持那段间隔。因为继承派生是is a 关系，所以在ColorAVertex的内存布局中不能改变ColorVertex的布局结构。不过在其他某些编译器种，并不是这样实现的。 VC++2015 : sizeof(ColorAVertex) = 20 GUN GCC : sizeof(ColorAVertex) = 16 除此之外，还有一些member类型需要注意：static member 和 member function( 不包括 virtual function ) 。这些类型的成员是不会引起对象内存布局的变化的。这些数据成员并不是存在每个对象的内存模型之中。
我们再来看下面这种情况：
struct A{};struct B:A{};123456 在上面我们了解到如果member data为空，那么编译器会安插一个char,那么在这段代码中B的大小是2还是1呢？ 事实上，当B继承A之后，因为A已经安插了一个char了，B就不为空了，所以说sizeof(B) = 1。
五.虚函数对对象内存布局的影响 在上一段末尾中提到，member function不影响对象内存布局，但是把virtual function排除开外了。因为virtual function作为c++运行时多态的核心，而为了支持这一特性，在对象内部也添加了相应的一些信息。 例如：下面这段代码：
class A{public: int a; virtual void say(){ printf("A::say()\n"); }};class B:public A{public: int b; void say(){ printf("B::say()\n"); }};int main(){ A* p = ....; p->say(); return 0;}123456789101112131415161718 在以上继承体系中，编译阶段并不能知道A* p真正的类型，而编译阶段就需要进行函数绑定，而真正的函数只有在运行阶段才知道。所以，对象内部必须要存储相应的动态类型信息，这样才能实现动态绑定。而这样的信息就是vptr，也就是虚表指针，指向一个虚函数表。而一个类的虚函数表只有一个，也就是一个类的不同对象vptr值是相同的。 所以说，拥有虚函数的对象，会多4个字节用于存放vptr虚表指针，而存放位置由编译器决定，一般来说不是对象首部，就是尾部。不过大多数编译器都是放在对象首部，也就是说&vptr=&obj。 在单继承体系中，如果一个类的父类中已经有vptr了，那么在子类的虚函数只有可能是新添或者重写。而这些操作都是先复制父类的虚表，然后在其上修改。注意：在单继承体系中，对象内存模型中vptr只有一个，也就是后面的操作都是在vptr对应的虚表上覆盖或者新添。
六.多继承对对象内存模型的影响 在多继承体系中，对象的很多东西就会变得十分复杂，这里我们撇开这些复杂的特殊性不谈。只是简单谈谈在对象内存模型中的影响。 首先看下面这段代码：
class Top{public: int _top;};class Left: public Top{public: int _left;};class Right: public Top{public: int _right;};class Bottom: public Left,public Right{public: int _bottom;};12345678910111213141516
在继承过程中，由于Bottom继承了Left和Right，导致基类Top在Bottom中有两份实体。所以，Bottom的内存布局如下：
当然，有的时候，这样的重复并不是我们所希望的我，所以对于多继承中，这样的重复继承情况，c++提出了虚拟继承这样的概念来解决。
七.虚基类对对象内存布局的影响
嗯，如果要花篇幅去深究虚基类里面的种种细节，可能再写几千字也不为过。不过在这里我只是简单的介绍，如果类的继承体系中出现了虚基类会对内存布局产生的影响。
虚基类的内存布局难点是在于，既要保证多个继承源的情况下，虚基类只能有一个。并且子类的内存布局中不能改变父类的内存布局模式。这里就不探讨解决方案的相关的。直接给出常规编译器的解决方案之一吧(VC++2015)。如果一个类B虚拟继承自类A。相当于类B组合了一个A对象，并且含有一个指针指向A对象。而基于B对象读取A类的相关data或者function都是通过这个指针。所以说，在子类中，A对象只有一个，其他父类中如果虚拟继承了类A，只不过是把这个指针指向了这个A对象，而这些操作都是子类的构造函数完成的。
观察如下代码：
class Top {public: int _top;};class Left : public virtual Top {public: int _left;};class Right : public virtual Top {public: int _right;};class Bottom : public Left, public Right {public: int _bottom;};12345678910111213141516 对于该继承体系，Bottom的对象内存布局应该如下：
如果加上了虚函数呢？
class Top {public: int _top; virtual int top(){ return _top; }};class Left : public virtual Top {public: int _left; virtual int left(){ return _left; }};class Right : public virtual Top {public: int _right; virtual int right(){ return _right; }};class Bottom : public Left, public Right {public: int _bottom; virtual int bottom(){ return _bottom; }};1234567891011121314151617181920 对于该继承体系，Bottom的对象内存布局应该如下：
对于不同的编译器，对于虚拟继承的内存布局处理方式可能有区别，这里只是按照VC++2015编译器的解决方式来进行说明。
当然，本文章对内存模型的布局原因等没有过多着墨介绍。一是本人能力有限，怕言辞有误。二是的确本身c++标准对内存布局并没有很严格的规定，在各个编译器中有的细节设计也有不同之处。所以这里只是作为简单了解。如果想更进一步了解可以查看<Inside the C++ Object Model>一书。
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