浅谈C++底层机制
许多同学可能在学习C++的时候，都会感到一定的困惑，继承到底是怎样分配空间的，多态到底是如何完成的，许许多多的问题，必须挖掘到C++底层处理机制，才能搞明白。有许多C程序员也并不认同C++，他们认为C++庞大又迟缓，其更重要的原因是，他们认为“C++是在你的背后做事情”。的确，C++编译器背着程序员做了太多的事情，所以让很多不了解其底层机制的人感到困惑。想成为一个优秀的程序员，那么这样的困惑就不应该存在，只有了解了底层实现模型，才能写出效率较高的代码，自信心也比较高。 我们先从一个简单但有趣的例子谈起。有如下的4个类：
class X {};
class Y : public virtual X {};
class Z : public virtual X {};
class A : public Y, public Z {};
上面的4个类中，没有任何一个类里含明显的数据，之间只是表示了继承关系，那么如果我们用sizeof 来测量它们的大小，将会得到什么结果呢？ 你可能会认为，既然没有任何数据和方法，大小当然为0，而结果肯定会出乎你的意料，即使是class X 的大小也不为0。 在不同的编译器上，将会得到不同的结果，而在我们现在最常用的VC++编译器上，将得到如下的结果：
sizeof X 的结果是 1 。
sizeof Y 的结果是 4 。
sizeof Z 的结果是 4 。
sizeof A 的结果是 8 。
惊讶吗？那么为什么会得到这样的结果？
让我们一个一个来分析。 对于一个空的class，事实上并不是空的，它有一个隐晦的1 byte ，那是被编译器安插进去的一个char 。这使得这个class 的两个对象得以在内存中配置独一无二的地址，这就是为什么 sizeof X 的结果是 1。 那么Y和Z呢，怎么会占用 4 byte ？其实它们的大小受到三个因素的影响：
1.语言本身所造成的额外负担：当语言支持多态时，就会导致一些额外负担。在派生类中，这个额外负担表现在一个指针上，它是用来指向一个被称作“虚函数列表”的表格。而在VC++编译器上，指针的大小正好是 4 byte 。
2.编译器对于特殊情况所提供的优化处理：在class Y 和 class Z 中，也将带上它们因为继承class X 而带来的 1 byte ，传统上它被放在派生类的固定部分的尾端。而某些编译器（正如我们现在所讨论的VC++编译器）会对空的基类提供特殊的处理，在这个策略下，一个空的基类被视为派生类对象最开头的一部分，也就是说它并没有花费任何额外空间（因为既然有了成员，就不需要原本为了空类而安插一个char了），这样也就节省了这 1 byte 的空间。事实上，如果某个编译器没有提供这种优化处理，你将发现class Y 和 class Z 的大小将是8 byte ，而不仅仅是5 byte 了，原因正如下面第3点所讲。
3.“对齐”（Alignment）机制：在大多数机器上，群聚的结构体大小都会受到alignment的限制，使它们能够更有效率地在内存中被存取。Alignment 就是将数值调整到某数的整数倍。在32位计算机上，通常alignment 为 4 byte（32位），以使总线达到最大的“吞吐量”，在这种情况下，如上面所说，如果 class Y 和class Z 的大小为 5 byte ，那么它们必须填补 3 byte ，最终得到的结果将是 8 byte 。是不是开始感谢VC++编译器幸好有这样的优化机制，使得我们节约了不少内存空间。
关于对齐机制（参考http://www.cpp7.com/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=298）
“内存对齐”不妨称作“数据结构对齐”，那么这种策略，实际上是透过把握存储单元在存储器中的位置，即“地址”来实现的，所以，也可以被称作“地址对齐”。而地址这个东西，一些高级语言是可以把握的。下面来扯扯：
CPU在访问存储器的时候，有一个“粒度”概念，即CPU在一个操作单位中，只能访问一个单位长度的数据，不可再分割，所谓“粒子性”。
- Address Memory Register
- 0 XH -> XH
- 1 XL -> XL
- 2 YH -> YH
- 3 YL -> YL
- 4 ZH
- 5 ZL
- 6 OH
- 7 OL
上图的四个箭头，代表了CPU一次性地在内存中抓取了4个Bytes的数据到寄存器，即这个CPU的“内存访问粒度”是4 Bytes的。
（
关于内存访问粒度：
很多书籍中都讲到内存可以看成一个byte数组我们通过编程语言提供的工具对这个'大数组'中的每个元素进行读写比如在C中我们可以用指针一次读写一个或者更多 个字节，这是我们一般程序员眼中的内存样子。但是从机器角度更具体的说从CPU角度看呢CPU发出的指令是一个字节一个字节读写内存吗答案是'否'。CPU是按照'块(chunk)'来读写内存的块的大小可以是2bytes, 4bytes, 8bytes, 16bytes甚至是32bytes. 这个CPU访问内存采用的块的大小我们可以称为'内存访问粒度'。
程序员眼中的内存样子
---------------------------------
| | | | | | | | | | | | | | | | |
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F (地址)
CPU眼中的内存样子(以粒度4为例)
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
---------------------------------------------
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F (地址)
）
如果我们让CPU去抓取X这个数据（由XH+XL两个Bytes组成），那么我们就必须让access这一类数据（比如后来的Y、Z、O）的指针始终保持“从地址0开始的2 Bytes对齐”，即指针的取值只能是0、2、4、6。
否则，如果让指针不这样对齐，比如取值1开始access的话，那么，就会造成这种状况：
- Address Memory Register
- 0 XH
- 1 XL -> XL
- 2 YH -> YH
- 3 YL -> YL
- 4 ZH -> ZH
- 5 ZL
- 6 OH
- 7 OL
这样一来，数据X肯定是抓不完整了，寄存器里原来有2个有效数据，现在只剩了1个有效数据（即数据Y），还有2个无效的数据（X的XL部分和Z的ZH部分）。如此，至少寄存器的利用率就大大折损了。
早期的68000处理器的“内存access粒度”乃是2 Bytes的，如上图所示。该处理器没有有效的处理非对齐地址的机制，而那时候的Mac OS对处理器因非对齐地址而抛出的异常也没有良好的处理机制。所以，当遭遇了上图中的非对齐地址的情况时，用户就不得不去重新启动电脑了。
最后，回到高级语言编程的环境中来，再扯扯。
当我们在C中构造一个如下的结构的时候：
- struct baz {
- char c; // 假设为1个Byte
- int i; // 假设为4个Bytes
- short s; // 假设为2个Bytes
- };
那么，baz类型的一个实例，将在内存中如下放置：
- Address Memory
- 0x0000 c
- 0x0001
- 0x0002
- 0x0003
- 0x0004 i
- 0x0005 i
- 0x0006 i
- 0x0007 i
- 0x0008 s
- 0x0009 s
- 0x000a
- 0x000b
- 0x000c
- …… ……
这样，如果CPU的“内存access粒度”合适的话，那么，CPU抓取每一个成员数据的时候，都可以一次性完成(原理同前所述)。
不过，我们也可以看出，存储器中的一些位置（以Bytes为单位）上没有存放什么“有用的数据”，比如在从0x0001到0x0003这3个Bytes上。所以，在某些“特别珍惜”数据所占空间的场合里面，这个实例的数据就有可能被“打包”，比如在某些网络传输过程中，该实例就有可能这样在数据空间序列中存在：
- Address Memory
- 0x0000 c
- 0x0001 i
- 0x0002 i
- 0x0003 i
- 0x0004 i
- 0x0005 s
- 0x0006 s
- 0x0007 牛头
- 0x0008 牛头
- 0x0009 猪面
- …… ……
这时候，数据存在的方式，不再是像之前那样的对齐的，而CPU去access数据的方式有可能还是按存储机构的地址对齐的。在这种情况下，如果我的意图是获取从0x0001开始的32 bits的数据，即实例的成员i的数据的话，那么，CPU有可能还是从0x0000抓取。如果CPU的“粒度”是4 Bytes，那么，它一次只能抓取到成员i的高3 Bytes的数据，（即从0x0001到0x0003上的，而0x0000上的数据没用），然后再来一次，抓取从0x0004到0x0007上的数据，其中只有0x0004上的数据有用，而从0x0005到0x0007上的成员s和半个牛头都没用。
最后，我们再来看看 class A ，它的大小为什么是 8 byte ？显而易见，它继承了class Y 和class Z ，那么它的大小直接就把 class Y 和class Z 的大小加起来就够了。真有这么简单吗？实际上这只是一个巧合而已，这是因为之前编译器的优化机制掩盖这里的一些事实。对于没有优化的 class Y 和class Z 来说，他们的大小都是8 byte ，那么继承了它们两个的 class A 将是多大呢？16 byte？如果你有这样的编译器试一下的话，你会发现答案是12 byte 。怎么会是12 byte 呢？记住，一个虚拟继承的基类只会在派生类中存在一份实体，不管它在 class 继承体系中出现了多少次！class A的大小由下面几部分决定：
1. 被大家共享的唯一一个 class X的实体，大小为1 byte。
1.基类class Y 的大小，减去因虚拟继承的基类class X而配置的大小，也就是4 byte 。基类class Z的算法相同，它们加起来就是8 byte 。
3. class A自己的大小，0 byte 。
4.class A 的alignment的大小（如果有的话）。前述三项的总和是9 byte ，那么调整到4 byte的整数倍，也就是12 byte 。
我们前面讨论的VC++编译器得出的结果之所以是8 byte ，是因为 class X 实体的那1 byte被拿掉了，于是额外的3 byte也同样不必了，因此就直接把class Y 和class Z的大小加起来，得到8 byte 。 这个例子看懂了吗？是不是对C++的底层机制开始感兴趣了？那么我们再来举一个同样有趣的例子。 有这样一个类：
class A { private: int a; char b; char c; char d; };
它的大小是多少呢？ 如果你有记得我之前提到的alignment机制的话，你应该会猜到它的大小是8 byte 。的确如此，int a占用4 byte ，char b , char c 和char d各占1 byte ，加起来是7 byte ，再加上alignment额外带来的1 byte ，总共是8 byte 。 瞧，就是这么简单，那么现在我们把里面的成员变量换换位置，如下：
class A { private: char d; int a; char b; char c; }; 我们将char d拿到第一个位子，放在int a之前。那么现在你能告诉我class A的大小是多少呢？你肯定不会再猜8 byte了，因为你会觉得这与上面似乎有些不同，但你不能肯定到底是多大。不敢确定的时候就去试试吧，原来是12 byte ，这又是怎么回事呢？同样的类，只是改变了成员变量的位子，怎么就会多出4 byte的存储空间？其实这一切又是由变量的存储规则造成的。
对于一个类来说，它里面的成员变量（这里单指非静态的成员变量）是按声明的顺序存储在内存空间中的。在第一种的情况中，它们紧紧的排列在一起，除了由于alignment所浪费的1 byte空间外，它们几乎用了最小的存储空间；而在第二种情况中，它们则不是排列得那么紧密了，错误就在于char d ，它一个人就占用了4 byte 。为什么它会占用4 byte呢，其实责任也不全在它，后面的int a也有不可推卸的责任。Int 型数据在VC++编译器中正好是占用4 byte的，等于一个alignment量，而这4 byte一定是密不可分的。当char d占用了1 byte后，其后空出了3 byte（对于一个alignment量来说），而一个int型数据不能被拆成3 byte +1byte来存储，那样编译器将无法识别，因此int a只有向后推到下一个alignment的开始，这样char d就独占了4 byte ，中间有3 byte浪费掉了。而后面的char b和char c依旧紧密排列，最后又由于alignment调整2 byte ，整个类的大小就变为了12 byte 。 看了这个例子，是不是该反省以前随意定义成员变量了？如果你要定义一个含3个int型数据和4个char型数据的类，本来最优化的方法只需要16 byte ，而你却随意的定义成如下的样子：
class F{ private: char c1; int i1; char c2; int i2; char c3; int i3; char c4; };
看看结果是什么，这个类竟然要占据28 byte的空间，比刚才整整大了12 byte！ 再来看看继承的时候，成员变量是怎样存放的。我们将第2个例子中的class A 改成三层的继承模式，或许我们在做项目中，真的会遇到这样的情况。
class A1{ private: int a; char b; }; class A2: public A1{ private: char c; }; class A3:public A2{ private: char d; };
现在我们来预测一下class A3 的大小，是8 byte吗？不，结果竟是16 byte ，竟然整整多了1倍。这是为什么呢？按照成员变量的排列顺序，int a,char b,char c,char d应该紧密的排列在一起，8 byte没错。但事实并非如此，这些都是因为继承而造成的。知道“在继承关系中，基类子对象在派生类中会保持原样性”吗？或许这样专业的一句话，你并不能明白是什么意思，那么听我下面的分析。
在为派生类分配内存空间的时候，都是先为基类分配一块内存空间，而所谓的“原样性”是指基类原本在内存空间中是什么样子，那么它在派生类里分配的时候就是什么样子。拿这个例子来说，class A1占据了8 byte的空间，其中int a占4 byte ，char b占1 byte ，因alignment而填补3 byte 。对于class A1来说，占据8 byte空间没什么好抱怨的，但是class A2呢？轻率的程序员会认为，class A2只在class A1的基础上增加了唯一一个char c ，那么它应该会和char b绑在一起，占用原本用来填补空间的1 byte ，于是class A2的大小是8 byte，其中2 byte用于填补空间。然而事实上，char c是被放在填补空间所用的3 byte之后，因为在class A2中分配的class A1应该完全保持原样，于是class A2的大小变成12 byte ，而不是8 byte了，其中有6 byte浪费在填补空间上。相同的道理使得class A3 的大小是16 byte ，其中9 byte用于填补空间。 那么也许你会问，既然“原样性”会造成这样多的空间浪费，那么编译器为什么还要这样做呢？其实这样做是有它的必要的。我们考虑下面这种情况： A1* pA1=new A1(); A1* pA2=new A2(); *pA1=*pA2; 我们定义了两个A1型指针，一个指向A1对象，一个指向A2对象。现在我们执行一个默认的复制操作（复制一个个的成员变量），那么这样一个操作应该是把pA2所指的对象的A1那部分完全复制到pA1所指的对象里。假设编译器不遵循“原样性”，而是将派生类的成员和基类的成员捆绑在一起存放，去填补空间，那么这样的操作变会产生问题了。A1和A2都占8 byte ，pA2会将其所指的8 byte空间里的内容全部复制给pA1所指的对象，那么pA1所指的对象本来只有2个数据，3 byte的填补空间，而复制后却变成了3个数据，2 byte的填补空间了，对于char c ，我们并不想把它复制过来的。这样完全破坏了原语意，而这样引起的bug几乎是无法察觉的。
