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。