C++ struct内存开销在clang中？

Question

clang 中是否存在每个结构的内存开销？通常结构的大小只是其所有成员的总大小。但是在clang中似乎不是这样：

#include <iostream>
using namespace std;

struct Obj {
    int x;
    int y;
};

int main() {
    int a = 42;
    int b = 43;
    Obj obj = {100, 101};
    int c = 44;

    cout << *(&a - 0) << endl;  // 42
    cout << *(&a - 1) << endl;  // 43
    cout << *(&a - 2) << endl;  // On clang this prints garbage value instead of 101, how strange...
    cout << *(&a - 3) << endl;  // 101
    cout << *(&a - 4) << endl;  // 100
    cout << *(&a - 5) << endl;  // 44

    return 0;
}

我用clang++ program.cpp编译，没有优化。版本：

Ubuntu clang version 3.4-1ubuntu3 (tags/RELEASE_34/final) (based on LLVM 3.4)
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix

(&a - 2) 的内存位置似乎根本没有被使用。我在int a 和int b 的声明之间插入了以下代码：

*(&a - 2) = -1234;

这稍后将打印-1234，而不是*(&a - 2)上的垃圾值，表明clang在创建Obj obj后没有写入这个值，这让我想知道为什么clang首先保留它。

在 gcc 上，它的行为不同。首先，堆栈似乎在我机器上的 gcc 上向更高的内存地址增长。此外，gcc 自己将变量 c 放在 b 之后，所以它看起来像这样：

cout << *(&a + 0) << endl;  // 42
cout << *(&a + 1) << endl;  // 43
cout << *(&a + 2) << endl;  // 44 gcc moved c here even without optimization
cout << *(&a + 3) << endl;  // 100
cout << *(&a + 4) << endl;  // 101

使用g++ program.cpp 编译。版本：

 g++ (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2

当我将程序移植到 C 时，行为相同。一切都在 64 位 Linux Mint 17.1 上运行。谁能解释一下clang浪费4字节内存是否有更大的目的？

Answer 1

您运行的测试与结构无关，而与堆栈有关。从随机堆栈内存位置开始读取是未定义的行为，编译器有权对它们做任何事情。如果没有优化，很明显编译器不会费心有效地使用它们。没有人会关心没有优化会丢失几个字节。

此外，结构和类布局由 GCC 和 Clang 通用的标准定义，因此我向您保证它们在 Linux 上是相同的（模数错误）。

本质上，您假设编译器在堆栈上以确切的顺序排列您的局部变量，没有其他任何东西，但绝对没有理由相信这是真的。编译器没有义务以任何方式布置堆栈。

Answer 2

Clang 只是在 8 字节边界上对齐结构，以便更有效地复制它。 GCC也是这样做的，但是GCC的栈布局不同，所以结构已经对齐了。

Answer 3

以下是编译器允许和不允许的内容：编译器不允许在第一个成员之前填充。编译器不允许重新排序成员（尽管 gcc/clang 支持一些明确允许这样做的命令行标志）。

允许编译器在任何成员之间填充，并且大多数会填充以使所有成员自然对齐（&member % sizeof(member) == 0）：

struct foo {
    char a;
    int b; // pad 3 bytes before b
}

编译器也可以在最后一个成员之后填充。大多数编译器会填充这样 sizeof(T) % sizeof(largest member of T) == 0，像这样：

struct foo {
    int a;
    char b; // pad 3 bytes after b
}

对于堆栈变量（您的 a、b、obj 和 c），编译器可以随意重新排序和填充。

成员类型的大小以及是否使用打包取决于架构、编译器版本和编译器标志，因此人们运行您的代码会得到不同的结果。

Answer 4

当然有对齐。在 32 位程序上是 4 个字节，我不知道 64 位。

实际上有一个#pragma：

#pragma pack(push)  /* push current alignment to stack */
#pragma pack(1)     /* set alignment to 1 byte boundary */

struct MyPackedData
{
    char Data1;
    long Data2;
    char Data3;
};

#pragma pack(pop)   /* restore original alignment from stack */

这样，当你有一个结构数组时，访问它们就不会经常产生需要处理的不对齐异常。见What's the actual effect of successful unaligned accesses on x86?

请参阅https://en.wikipedia.org/wiki/Data_structure_alignment 了解更多信息。

我不知道你是否是这种情况，因为 2 个整数无论如何都应该对齐，但也许它们不在 64 位架构上？即使对于 64 位 CPU，整数也是 32 位的，而对齐可能是 64 位或 8 个字节。

当然，由于结构在堆栈上，其他变量及其对齐方式也很重要。

另见struct alignment C/C++和Memory alignment in C-structs