C++内存对齐的问题

2025-03-10 17:58:48

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回答（1）：

看错,
#pragma pack(n)的作用你还没理解透

这个n的值可以为1, 2, 4, 8, 16，pack的原则是尽量使其在内存中和机器的自然字长相同，你的机器自然字长可能是2字也就是4字节，所以当n > 4时，字节数小于4的类型会被自动填充为4字节，大于4字节的才根据n的指定来填充，所以你那个类的内存排列方式应该是这样：

vptr: 4, int 4, double 16;

我考虑过是否是编译器优化的结果，但我看了下发现我的编译器优化是被关掉的，而且struct和clas的对齐方式是默认default，所以得出以上结论，仅供参考!

受你问题的启发，这几研究了下计算机组成原理，其中看了一本书叫Write Great Code Vol1——Understanding The Machine，在内存结构那章有这么一段：

Figure 7-8 also suggests that compilers pack the fields into adjacent memory locations with no gaps between the fields. While this is true for many languages, this certainly isn't the most common memory organization for a record. For performance reasons, most compilers will actually align the fields of a record on appropriate memory boundaries. The exact details vary by language, compiler implementation, and CPU, but a typical compiler will place fields at an offset within the record's storage area that is 'natural' for that particular field's data type. On the 80x86, for example, compilers that follow the Intel ABI (application binary interface) will allocate one-byte objects at any offset within the record, words only at even offsets, and double-word or larger objects on double-word boundaries. Although not all 80x86 compilers support the Intel ABI, most do, which allows records to be shared among functions and procedures written in different languages on the 80x86. Other CPU manufacturers provide their own ABI for their processors and programs that adhere to an ABI can share binary data at run time with other programs that adhere to the same ABI.

说的是关于结构体中数据的对齐方式因语言、编译器和CPU而异，但是通常的做法就是把数据成员放置在与该成员的类型较为符合（也称自然放置）的地方。

因为Intel的 Pentium 系列处理器属于x86家族，x86家族中：

8088, 8086, 80186, 80188 只有20条数据总线，寻址能力为1M

80286, 80386sx 有24条数据总线可寻址16M

80386dx 有32条数据总线可寻址4GB

80486, Pentium 也是32条寻址4GB

Pentium Pro, II, III, IV 有36条数据总线可寻址64GB

P4应该属于Prntium Pro，有36条数据总线，我的也是P42.4G，但x86家族的通用整型寄存器是32位的，也就是在每个CPU时钟周期中最多这能处理32位数据。

一般所说的32，64位CPU都指的是其数据总线数量，而不是CPU寄存器所以P4是属于32位的处理器(以后买CPU要看寄存器大小不要被表面的32, 64云云，给蒙啦...)

所以Pentium Pro多出来的那4条总线P用没有！

因为有32条能用到的数据总线，所以每个cpu指令可操作的对象最大可能就为32bit，即8个位，x86家族采用2个memory bank表示一个字，所以32位数据总线可由4个bank来表示，所以其内部内存模型为：
QW: quad-word

.^
.|
.|
QWX2: XX XX XX XX // 从左往右依次是bank 1, 2, 3, 4
QWX1: XX XX XX XX // 8位 X表数据未知
QWX0: XX XX XX XX // 8位 bank中的每个X表示一个位
.|
.|地址由下往上增
.
// 右边的数字每一个表示一个位

而x86CPU对打包数据体(结构，联合，这里联合被排除)中的数据类型的排列方式是遵循以下原则的：

1、Compiler will allocate one-byte objects at any offset within the record.

编译器将在结构基地址的任意偏移量处分配1字节（这就是为什么创建一个空类也占1字节的原因）。

2、Words only at even offsets。

字只处在偏移量为偶数的地方。

3、Double-word or larger objects on double-word boundaries.

双字或更大的数据体只处在双字的边缘上。

以上是我看到的一点心得，应该是Intel处理器和大部分编译器的默认处理方式，给你分享下。

另外我又试验了以后发现竟然是VC的问题，我在除VC外的其他几个编译器上试验的结果都是16位，对齐原则和我跟你说的一样，VC为什么是24呢？因为它编译器里的默认对齐方式是8字节，请看以下结果：

#include
using namespace std;

//#pragma pack()

class dd{
public:
int a;
double c;
virtual ~dd(){}
}a, b;

int main()
{
cout << &a << endl;
cout << &a.a << endl;
cout << &a.c << endl;
cout << &b;
}

运行结果是

0041E008 // vptr
0041E010 // int
0041E018 // double
0041E020

内存模型可能就是这样：
X: 填充字节

.^
.|
.|
QWX2: HH HH HH HH // double
QWX1: XX XX BB BB // int
QWX0: XX XX AA AA // vptr
.|
.|地址由下往上增
.|
所以是3*8 = 24字节

可见编译器把vptr也分配为了8字节，可能有4字节的填充，原因我想很简单，就是VC迎合32位寄存器的CPU的结果，因为这样就可以每次读取的最大32位数据都可以在一个32位的通用整型寄存器中来执行操作，只需要一个指令就可以把数据分离出来，而如果是以4字节对齐的话，就需要2个指令，先把寄存器中的高16位（由于intel是反着存的）读入16位通用整型寄存器（AX，BX，CX，DX），再把数据提取出来。
这样的结果是增加了程序执行的内存开销，但提高了执行速度，典型的牺牲空间换取时间的做法（貌似现在都以时间为优先考虑，计算机的RAM是越来越大，就连cache都有好几级大到数M了-_-~）。

但在其他的编译器上产生的结果就是16，总之#pragma 宏的实现本来就是最不可靠的，因为很大程度上它的实现是取决与编译器和CPU，所以遇到这样的问题还是要结合多方面考虑，另外多吸收一些计算机结构的底层知识也能帮助自己的理解（说“帮助”有点牵强，因为了解了底层实现那还有什么高级“花招”能忽悠得了我的^_^）。

PS: 多谢你的这个问题啊呵呵，我这段时间读了3本计算机结构的书，对底层有了一定了解，今后打算把Intel的3本Developer manual也搞定，哈哈过瘾！！

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