C++結構體內幕揭秘：sizeof之謎與記憶體佈局探秘

架构师老卢發表於2024-03-23
C++結構體記憶體
C++結構體內幕揭秘：sizeof之謎與記憶體佈局探秘

概述：C++結構體的`sizeof`不總是等於每個成員的`sizeof`之和，因為對齊和填充影響了記憶體佈局。未對齊的結構體可能存在間隙，而對齊的結構體會插入填充以保持對齊。透過示例展示了結構體的記憶體對齊和填充，以及如何使用模板超程式設計列印結構體成員的偏移量，深入理解記憶體佈局。

在C++中，結構體的sizeof並不總是等於每個成員的sizeof之和，這是由於對齊和填充的影響。編譯器為了提高記憶體訪問速度，通常會在結構體成員之間插入一些填充位元組以對齊資料。

基礎功能：

示例原始碼：

#include <iostream>

// 未進行對齊的結構體
struct WithoutPadding {
    char a;    // 1 位元組
    int b;     // 4 位元組
    char c;    // 1 位元組
};

// 進行對齊的結構體
struct WithPadding {
    char a;    // 1 位元組
    char padding[3];  // 對齊填充 3 位元組
    int b;     // 4 位元組
    char c;    // 1 位元組
};

int main() {
    std::cout << "WithoutPadding 大小：" << sizeof(WithoutPadding) << std::endl;
    std::cout << "WithPadding 大小：" << sizeof(WithPadding) << std::endl;

    return 0;
}

在這個示例中，WithoutPadding 結構體的大小是 6 位元組（1 + 4 + 1），而WithPadding 結構體的大小是 12 位元組（1 + 3（填充）+ 4 + 1）。這是因為編譯器為了對齊int型別的成員b，在其前面插入了3位元組的填充。

高階功能：

示例原始碼：

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
void PrintOffsets() {
    std::cout << "Offsets for " << typeid(T).name() << ":" << std::endl;

    size_t offset = 0;
    size_t size = sizeof(T);

    // 使用模板超程式設計逐個列印成員的偏移量
    // 對於 C++17，可以使用 std::is_standard_layout<T> 確保是標準佈局型別
    if constexpr (std::is_standard_layout<T>::value) {
        while (offset < size) {
            std::cout << "  Offset of member at index " << offset << ": " << offsetof(T, offset) << std::endl;
            offset++;
        }
    } else {
        std::cout << "  Not a standard layout type." << std::endl;
    }

    std::cout << std::endl;
}

struct ExampleStruct {
    char a;    // 1 位元組
    int b;     // 4 位元組
    char c;    // 1 位元組
};

int main() {
    PrintOffsets<ExampleStruct>();

    return 0;
}

在這個示例中，PrintOffsets 函式使用模板超程式設計逐個列印結構體成員的偏移量。ExampleStruct 結構體包含了對齊填充，透過offsetof宏可以獲取每個成員的偏移量。這有助於理解結構體記憶體佈局的細節。

透過這兩個示例，展示了結構體大小不等於成員sizeof之和的原因，以及如何使用模板超程式設計逐個列印結構體成員的偏移量。這些知識有助於理解記憶體對齊和結構體記憶體佈局。

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