1. 位域:
1. 在C中,位域可以写成这样(注:位域的数据类型一律用无符号的,纪律性)。
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a : 1; 4 unsigned b : 3; 5 unsigned c : 4; 6 }bit;
sizeof(bitmap) == 4;(整个struct的大小为4,因为位域本质上是从一个数据类型分出来的,在我们的例子中数据类型就是unsigned,大小为4,并且位域也是满足C和C++的结构体内存对齐原则的,等下我们会说到)。
2. 当然了位域也可以有空域。
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a:4; 4 unsigned :0; /*空域*/ 5 unsigned b:4; /*从下一单元开始存放*/ 6 unsigned c:4; 7 } 8 sizeof(bitmap) == 8;
3. 在这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。这里我们可以看到空域的作用是填充数据类型的剩下的位置,有时候我们只是想调整一下内存分配,则我们可以使用无名位域:
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a:1; 4 unsigned :2; 5 unsigned b:3; 6 unsigned c:2; 7 }; 8 sizeof(bitmap) == 4;
4. 如果一个位域的位的分配超过了该类型的位的总数,则从下一个单元开始继续分配,这个很好理解:
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a : 8; 4 unsigned b : 30; 5 unsigned c : 4; 6 }; 7 sizeof(bitmap) == 12;
注意这个位域的大小是12而不是8,说明如果超了大小是立马从下一个单元开始分配而不是cast在后面。
5. C++的位域:
由于C++有类,所以呢位域可以写进类里面,很简单比如:
1 class Demo 2 { 3 unsigned mode : 8; 4 unsigned modeifed : 2; 5 unsigned protA : 3; 6 unsigned protB : 4; 7 public: 8 ... 9 };
另外就是需要注意的是,取地址运算符不能作用于位域,所以任何指针都无法指向类的位域,访问位域的方法和访问类的成员的方法一样,这里就不多说了。
2. 内存对齐:
1. 说到位域就不得说下内存对齐的东西,其实内存对齐也很简单,只是不同的编译器实现不一样,至于为什么要内存对齐,这个要从CPU的基本工作原理说起,但是首先要明白,无论我们是否内存对齐,CPU大多数情况都是能正常工作的(前提:对于大多数IA32指令都可以这么说,但是部分指令,如SSE多媒体指令这些就不行,这些指令有特殊内存对齐要求,比如16字节对齐,任何不满足内存对齐的地址访问储存器都是会导致异常,对于这些指令,编译器必须在编译的时候采取强制内存对齐)。
实现内存对齐可以提高CPU的性能,比如处理器能一次取出8个字节,这个时候必须要求数据地址要8字节对齐,这个是和CPU和储存器的外围电路决定的,在内存对齐的情况下,CPU从储存器取出这8个字节只需要一个时钟周期,但是如果这个地址不是8字节对齐,那么CPU可能就需要两个时钟周期才能取出这8个字节。
对于IA32,每个栈帧都惯例16字节对齐,编译器一般也会那么做,但是对于数据类型不同的编译器表现可能不一样,对于Windows(VC编译器),任何K字节的基本对象的地址都必须是K的倍数(比如对于int,必须4字节对齐,对于double,必须8字节对齐),这很大程度上提高了储存器和CPU的工作性能,但是对存储空间的浪费比较严重;对于Linux,惯例是8字节数对齐4字节边界(比如double可以4字节对齐)。对于Windows好Linux,数据类型long double都有4字节对其的要求,对于GCC,long double分配12字节(虽然它只占10字节大小)。
所以我们有一般规则(在知乎找了个例子):
1 struct X 2 { 3 char a; 4 float b; 5 int c; 6 double d; 7 unsigned e; 8 }; 9 sizeof(X) == 32;
内存对齐状况应该是下面这个样子:
1 struct X 2 { 3 char a; // 1 bytes 4 char padding1[3]; // 3 bytes 5 float b; // 4 bytes 6 int c; // 4 bytes 7 char padding2[4]; // 4 bytes 8 double d; // 8 bytes 9 unsigned e; // 4 bytes 10 char padding3[4]; // 4 bytes 11 }; 12 sizeof(X) == 32;
(其中最后的4个字节的填充是因为规则4,看下面)。
2. 如果自定义数据类型含有位域,则内存对齐满足以下原则:
1. 如果相邻的位域的数据类型相同,则按照分配位的大小来,详情看我上面写的位域的第5个情况。
2. 如果相邻的位域的数据类型不相同,则不同编译器实现不一样,有些编译器选择不压缩。
3. 如果位域不连续,中间含非位域,则按标准数据类型大小划分,比如:
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a : 2; 4 int b; 5 unsigned c : 3; 6 }; 7 sizeof(bitmap) == 12;
3. 另外可以通过添加#pragma pack(n)来强制改变内存分配情况,比如在VC编译器中:
1 struct bitmap 2 { 3 unsigned a; 4 double c; 5 }; 6 sizeof(bitmap) == 16;
加了#pragma pack(4),则强制内存对齐4字节,再测试下其大小:
1 #pragma pack(4) 2 struct bitmap 3 { 4 unsigned a; 5 double c; 6 }; 7 sizeof(bitmap) == 12;
当然,如果#pragma pack(n)的n大于本身数据类型的宽度,则按数据类型的宽度来分配:
1 struct bitmap 2 { 3 double c; 4 int k; 5 int m; 6 }; 7 sizeof(bitmap) == 16 != 32
4. 自定义类型(C结构体,C++聚合类)的最后的内存对齐,是按照自定义类型内的最大类型的宽度来的,比如上面那个例子去掉int m:
1 struct bitmap 2 { 3 double c; 4 int k; 5 }; 6 sizeof(bitmap) == 16
必须以double进行8字节对齐(VC编译器)。
5. 对于C++如果类内有虚函数,则如果存在虚函数,则需要添加一个指针的大小(因为需要一个指针指向虚函数指针表,注意如果存在多个虚函数,也只有一个指向虚函数表指针),比如在32位系统则为4字节,在64位则为8字节。
1 class Test 2 { 3 public: 4 virtual void Hi(); 5 6 int c; 7 double d; 8 }; 9 sizeof(Test) == 16(IA32)或者 24(x86-64)
特别的,在C++内,空类大小为1(C++不允许0的内存空间)。
class Test { }; sizeof(Test) == 1;
6. 如果一个类(结构体)A内嵌套着另一个类(结构体)B,则B按B内的最大类型的方式对齐,A的对齐要考虑B(总大小的对齐要考虑B的最大类型)
1 class A 2 { 3 double c; 4 public: 5 class B 6 { 7 int i; 8 double c; 9 }b; 10 int d; 11 }; 12 sizeof(A) == 32 sizeof(A::B) == 16
7. C++的类静态成员不会被sizeof计算,这个要注意:
class C { public: static char b; static int *c; };
sizeof(C)的结果是1