c++ - C++类的大小是如何确定的？

Question

总结:编译器在编译过程中如何静态确定C++类的大小？

详细信息:

我试图了解用于确定一个类将使用多少内存以及如何对齐内存的规则。

例如，下面的代码声明了 4 个类。前 2 个都是 16 个字节。但是 3 是 48 字节，尽管它包含与前 2 相同的数据成员。而第四类与第三类具有相同的数据成员，只是顺序不同，但它是 32 字节。

#include <xmmintrin.h>
#include <stdio.h>

class TestClass1 {
  __m128i vect;
};

class TestClass2 {
  char buf[8];
  char buf2[8];
};

class TestClass3 {
  char buf[8];
  __m128i vect;
  char buf2[8];
};

class TestClass4 {
  char buf[8];
  char buf2[8];
  __m128i vect;
};


TestClass1 *ptr1;
TestClass2 *ptr2;
TestClass3 *ptr3;
TestClass4 *ptr4;
int main() {
  ptr1 = new TestClass1();
  ptr2 = new TestClass2();
  ptr3 = new TestClass3();
  ptr4 = new TestClass4();
  printf("sizeof TestClass1 is: %lu\t TestClass2 is: %lu\t TestClass3 is: %lu\t TestClass4 is: %lu\n", sizeof(*ptr1), sizeof(*ptr2), sizeof(*ptr3), sizeof(*ptr4));
  return 0;
}

我知道答案与类的数据成员的对齐有关。但是我试图准确理解这些规则是什么以及它们在编译步骤中是如何应用的，因为我有一个具有 __m128i 数据成员的类，但该数据成员不是 16 字节对齐的并且当编译器使用 movaps 访问数据生成代码时，这会导致段错误。

Answer 1

对于 POD(普通旧数据)，规则通常是:

• 结构中的每个成员都有一些大小 s 和一些对齐要求 a。
• 编译器以将大小 S 设置为零并将对齐要求 A 设置为一(字节)开始。
• 编译器按顺序处理结构中的每个成员:

1. 考虑成员的对齐要求a。如果 S 当前不是 a 的倍数，则向 S 添加足够的字节，使其成为 a< 的倍数/em>。这决定了成员将去哪里；它将从结构的开头偏移 S(对于 S 的当前值)。
2. 将A设为A和a的最小公倍数¹。
3. 将 s 添加到 S，为成员预留空间。

• 对每个成员完成上述过程后，考虑结构的s对齐要求A。如果 S 当前不是 A 的倍数，则添加足够的 S 使其成为 A .

完成上述操作后，结构体的大小就是S的值。

另外:

• 如果任何成员是一个数组，它的大小是元素的个数乘以每个元素的大小，它的对齐要求是一个元素的对齐要求。
• 如果任何成员是结构，则其大小和对齐要求按上述方法计算。
• 如果任何成员是 union ，则其大小是其最大成员的大小加上恰好足以使其成为所有成员对齐的最小公倍数¹的倍数。<

考虑您的TestClass3:

• S 从 0 开始，A 从 1 开始。
• char buf[8] 需要 8 个字节和对齐 1，因此 S 增加 8 到 8，A 保持为 1。
• __m128i vect 需要 16 个字节和对齐方式 16。首先，S 必须增加到 16 才能提供正确的对齐方式。然后 A 必须增加到 16。然后 S 必须增加 16 以便为 vect 腾出空间，所以 S 现在 32 岁。
• char buf2[8] 需要 8 个字节和对齐 1，因此 S 增加 8 到 24，A 保持为 16。
• 最后S是24，不是A(16)的倍数，所以S必须增加8到 32 岁。

所以TestClass3的大小是32字节。

对于基本类型(int、double 等)，对齐要求是实现定义的，通常主要由硬件决定。在许多处理器上，当数据具有特定对齐方式时(通常当其在内存中的地址是其大小的倍数时)加载和存储数据会更快。除此之外，上述规则主要来自逻辑；他们将每个成员放在必须满足对齐要求的位置，而不使用不必要的空间。

脚注

¹ 对于一般情况，我将其表述为使用对齐要求的最小公倍数。但是，由于对齐要求始终是 2 的幂，因此任何一组对齐要求中的最小公倍数就是其中最大的。