【游戏编程扯淡精粹】C++对象内存布局

【游戏编程扯淡精粹】C++对象内存布局

引言

CPU给GPU传递buffer，约定好buffer item的struct协议，基本上要求是packed struct

那么packed前后有什么区别呢？知道struct字段对齐，那具体又是怎么对齐的呢？

此外，虚表指针vptr是放在哪里的呢，怎么对齐呢？

稍微想一想，编译器肯定知道这些信息，搜一下就有了

工具

/d1reportAllClassLayout
/d1reportAllClassLayout – 转储对象内存布局 | Ofek 的 Visual C++ 东西

VS可视化插件
Struct Layout - Visual Studio Marketplace

g++ fdump-class-hierarchy // 略

问题清单

1. packed struct前后对比？
2. vptr放在哪里？占几个字节？

结论

本文以MSVC Win32为例，不同C++编译器仍然有差异，跨平台时要小心避坑

• vfptr，虚表指针，占4字节，放在头部，并且随着基类继承下去
• 按N字节对齐是struct的属性，默认行为和编译器有关，强制指定N可能会影响内存布局和读写性能
  • alignof(T)返回N，#pragma pack(N)指定N
• 字段不对齐会严重影响字段读写速度
  • x86默认4字节对齐，并用padding填充来确保每个字段对齐，会占用更多内存
  • 使用#pragma pack(1)来紧密布局，未对齐的字段会有两倍的读写开销

编译器默认布局

强制紧密布局

后面三个属性被拆到两个字，导致读取需要2个时钟周期，也就是两倍的开销

vfptr

class A
{
  int m_a, m_b;
  virtual void cookie() {}
  virtual void monster() {}
};
 
class B : public A
{
  double m_c;
  virtual void cookie() {};
};

/d1reportAllClassLayout

关注点：

• size，总共占据多少字节
• vfptr，虚表指针，占4字节，MSVC放在头部，并且随着基类继承下去
• 字段布局，如何对齐
• 虚表结构，当前类的元信息，然后是虚函数指针列表

class A	size(12):
	+---
 0	| {vfptr}
 4	| m_a
 8	| m_b
	+---
A::$vftable@:
	| &A_meta
	|  0
 0	| &A::cookie
 1	| &A::monster
A::cookie this adjustor: 0
A::monster this adjustor: 0
class B	size(24):
	+---
 0	| +--- (base class A)
 0	| | {vfptr}
 4	| | m_a
 8	| | m_b
	| +---
  	| <alignment member> (size=4)
16	| m_c
	+---
B::$vftable@:
	| &B_meta
	|  0
 0	| &B::cookie
 1	| &A::monster
B::cookie this adjustor: 0

Struct Layout

可视化后更加清楚了

• vfptr，虚表指针，占4字节，MSVC放在头部，并且随着基类继承下去
• 对齐，为了B.double对齐，A末尾加了4字节的padding
  
  

packed struct

#ifdef __GNUC__
#define PACKED_STRUCT __attribute__((packed,aligned(1)))
#else
#define PACKED_STRUCT
#endif

struct PACKED_STRUCT gpuvec4 {
    float x, y, z, w;

    gpuvec4() = default;

    explicit gpuvec4(float v) : x(v), y(v), z(v), w(v) {}

    gpuvec4(float a, float b, float c, float d) : x(a), y(b), z(c), w(d) {}
};

struct PACKED_STRUCT gpumat4 {
    float data_[16];

    gpumat4() = default;
};

enum MaterialFlags {
    sMaterialFlags_CastShadow = 0x1,
    sMaterialFlags_ReceiveShadow = 0x2,
    sMaterialFlags_Transparent = 0x4,
};

constexpr const uint64_t INVALID_TEXTURE = 0xFFFFFFFF;

struct PACKED_STRUCT MaterialDescription final {
    gpuvec4 emissiveColor_ = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f };
    gpuvec4 albedoColor_ = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
    gpuvec4 roughness_ = { 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f };
    float transparencyFactor_ = 1.0f;
    float alphaTest_ = 0.0f;
    float metallicFactor_ = 0.0f;
    uint32_t flags_ = sMaterialFlags_CastShadow | sMaterialFlags_ReceiveShadow;
#pragma region maps
    uint64_t ambientOcclusionMap_ = INVALID_TEXTURE;
    uint64_t emissiveMap_ = INVALID_TEXTURE;
    uint64_t albedoMap_ = INVALID_TEXTURE;
    uint64_t metallicRoughnessMap_ = INVALID_TEXTURE;
    uint64_t normalMap_ = INVALID_TEXTURE;
    uint64_t opacityMap_ = INVALID_TEXTURE;
#pragma endregion maps
};

默认对齐

四字节对齐

—

class Base
{
public:
    int a = 1;
    virtual void print() {};
};

class Derived : public Base {
public:
    int b = 3;
    virtual void print() {};
};