如何解释 sizeof(std::vector<int>) 的值？答案

【问题标题】：How to explain the value of sizeof(std::vector<int>)?如何解释 sizeof(std::vector<int>) 的值？
【发布时间】：2017-11-27 09:31:09
【问题描述】：

为了了解std::vector<int>的内存消耗我写了：

std::cout << sizeof(std::vector<int>) << std::endl;

这会产生32。我试图了解这个值的来源。有些人在源代码中看到std::vector存储指针_MyFirst、_MyLast和_MyEnd，这解释了24字节的内存消耗（在我的64位系统上）。

最后一个8 字节呢？据我了解，存储的分配器不使用任何内存。这也可能是实现定义的（是吗？），所以这可能会有所帮助：我正在使用 MSVC 2017.5。我不保证通过查看代码找到了所有成员；这段代码在我看来很模糊。

一切似乎都很好地对齐，但答案可能如下？：Why isn't sizeof for a struct equal to the sum of sizeof of each member?。但我用一个简单的struct Test { int *a, *b, *c; }; 对其进行了测试，它满足sizeof(Test) == 24。

一些背景

在我的程序中，我将有很多个向量，而且似乎大多数都是空的。这意味着关键的内存消耗来自空状态，即堆分配的内存不是那么重要。

一个简单的“仅用于这个用例”-vector 的实现速度非常快，所以我想知道我是否遗漏了什么，无论如何我都需要 32 字节的内存，即使是我自己的实现（note ：我很可能不会实现我自己的，这只是好奇）。

更新

我用下面的结构再次测试了它：

struct Test
{
    int *a, *b, *c;
    std::allocator<int> alloc;
};

现在给了sizeof(Test) == 32。似乎即使std::allocator 没有消耗内存的成员（我认为），它的存在也将Test 的大小提高到了 32 字节。

我认识到sizeof(std::allocator<int>) 产生1，但我认为这是编译器处理空结构的方式，并且在将其用作成员时已对其进行了优化。但这似乎是我的编译器的问题。

【问题讨论】：

为什么要解释？您是否深入研究了 <vector> 标头的源代码（以及其中包含的 internal 标头）？你真的在乎吗？你愿意花费数周的时间来了解所有血淋淋的细节吗？在我的 Linux/GCC 系统上，#include <vector> 扩展到了一万多行 C++，我没有花时间阅读所有这些。顺便说一句，您的向量使用的大部分内存都是堆中的一些数据...
@BasileStarynkevitch 部分好奇。聚会，因为我必须在内存关键环境中使用std::vector，我想知道“如果我自己实现它，我能做得更好吗？”。我很可能不会自己实现任何东西，所以主要是好奇心。我知道大多数内存都在堆上。问题是我似乎有很多向量，其中大部分都是空的。所以空内存消耗是这里的重要数字。
您的问题似乎根本与vector 无关。它几乎可以概括为“在 64 位系统上，为什么struct {void *_1; void *_2; void *_3; }; 占用 32 个字节而不是 24 个字节？”。如果这些确实是您所说的结构中的唯一成员。
顺便说一句，在我的 Linux/GCC/x86-64/Debian/Sid sizeof(std::vector<int>) 上是 24。所以你可以考虑改变你的编译器！
@BasileStarynkevitch：正如我所说，我并不是说要实现 STL 中存在的所有 vector 功能。但是它的特定子集可以很容易地实现，并且适合需求。特别是在所描述的情况下，空vector 的内存大小很重要 - 这是要走的路。

标签： c++ vector stl sizeof stdvector

【解决方案1】：

编译器无法优化掉一个空成员。这是标准明确禁止的。

空类类型的完整对象和成员子对象应具有非零大小

另一方面，一个空的基类子对象的大小可能为零。这正是 GCC/libstdc++ 处理问题的方式：它使向量实现继承了分配器。

【讨论】：

【解决方案2】：

std::vector 的数据成员没有任何标准化，因此您可以假设它是定义的实现。

您提到了三个指针，因此您可以使用三个指针作为其数据成员来检查类（或结构）的大小。

我试过运行这个：

std::cout << sizeof(classWith3PtrsOnly) << " " << sizeof(std::vector<int>) << std::endl;

在Wandbox，得到：

24 24

这几乎意味着额外的 8 个字节来自“为满足对齐约束而添加的填充”。

【讨论】：

谢谢。所以它似乎是我的编译器、实现、操作系统的神器……！？！但似乎可以用 24 个字节来完成。
我会尝试另一个编译器@M.Winter。如果我很好奇！ ;)

【解决方案3】：

我最近遇到了同样的问题。虽然我仍然不知道std::vector 是如何进行这种优化的，但我找到了通过 C++20 解决的方法。

C++ attribute: no_unique_address (since C++20)

struct Empty {};
struct NonEmpty {
    int* p;
};

template<typename MayEmpty>
struct Test {
    int* a;
    [[no_unique_address]] MayEmpty mayEmpty;
};

static_assert(sizeof(Empty) == 1);
static_assert(sizeof(NonEmpty) == 8);

static_assert(sizeof(Test<Empty>) == 8);
static_assert(sizeof(Test<NonEmpty>) == 16);

【讨论】：