C++结构体内幕揭秘：sizeof之谜与内存布局探秘

2024-03-23 09:10 由架构师老卢发表于 #后端开发

概述：C++结构体的`sizeof`不总是等于每个成员的`sizeof`之和，因为对齐和填充影响了内存布局。未对齐的结构体可能存在间隙，而对齐的结构体会插入填充以保持对齐。通过示例展示了结构体的内存对齐和填充，以及如何使用模板元编程打印结构体成员的偏移量，深入理解内存布局。

在C++中，结构体的sizeof并不总是等于每个成员的sizeof之和，这是由于对齐和填充的影响。编译器为了提高内存访问速度，通常会在结构体成员之间插入一些填充字节以对齐数据。

基础功能：

示例源代码：

#include <iostream>

// 未进行对齐的结构体
struct WithoutPadding {
    char a;    // 1 字节
    int b;     // 4 字节
    char c;    // 1 字节
};

// 进行对齐的结构体
struct WithPadding {
    char a;    // 1 字节
    char padding[3];  // 对齐填充 3 字节
    int b;     // 4 字节
    char c;    // 1 字节
};

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

    return 0;
}

在这个示例中，WithoutPadding 结构体的大小是 6 字节（1 + 4 + 1），而WithPadding 结构体的大小是 12 字节（1 + 3（填充）+ 4 + 1）。这是因为编译器为了对齐int类型的成员b，在其前面插入了3字节的填充。

高级功能：

示例源代码：

#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);

    // 使用模板元编程逐个打印成员的偏移量
    // 对于 C++17，可以使用 std::is_standard_layout<T> 确保是标准布局类型
    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 字节
    int b;     // 4 字节
    char c;    // 1 字节
};

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

    return 0;
}

在这个示例中，PrintOffsets 函数使用模板元编程逐个打印结构体成员的偏移量。ExampleStruct 结构体包含了对齐填充，通过offsetof宏可以获取每个成员的偏移量。这有助于理解结构体内存布局的细节。

通过这两个示例，展示了结构体大小不等于成员sizeof之和的原因，以及如何使用模板元编程逐个打印结构体成员的偏移量。这些知识有助于理解内存对齐和结构体内存布局。