C/C++中数据大小、字节对齐、内存占用

数据大小获取
 
sizeof()操作符,求占用空间,对数组而言大小为 type大小 * 数据个数;
int a[] = {1,2,3,4,5}
sizeof(a) = 20
sizeof(&a) = 4
特殊的:在string时,由于字符串本质上就是自带‘\0’结尾的 char[] 数组,而char 的大小有恰好为1,
因此sizeof()就正好会是数组的长度;
在C++98中是不允许对类的非静态成员变量使用sizeof()的,而在C++11中是合法的;
根据 C99 规定,sizeof是一个编译时刻就起效果的运算符,运行时在其内的任何运算都没有意义;
int i = 10;
sizeof(i++); // 4 此时i=10, 并不会自加,里面的运算是无意义的;
int size = sizeof(Volume) / sizeof(Volume[0]); // Volume[0]并不起作用,只看其类型


strlen() 在对字符串计算时 以遇到'\0'结束符为准,不包含末尾的'\0' 字符(或内存中的内容为0)的长度的;
.length() (容器)字符串的长度,不包含结尾的'\0';
.size() (容器)字符串的长度'\0';

strcpy() 拷贝函数其实是从指定位置覆盖,再加上‘\0’,而用%s输出就到'\0'为止。。。会在 最后自动 添加 '\0' 作为结束符,,

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例题1:
    char dog[]="wang\0miao";
    cout << sizeof(dog) << endl;// 10
    cout << strlen(dog) << endl;// 4 
例题2    
    char str[] = "ab\012\\n";
    printf("%d \n", sizeof(str) );//6
    printf("%d \n", strlen(str) );//5
解释例题2 :
\012 \0表示8进制(后面跟 <8 的数据的话) 此处表8进制的的10,也即ASIIC符号 \n ,同时\0也可表示字符串结束;
\\ 表示 斜杆;
最终字符为 a b \n \n \0
注:\ 表示转义字符标志;

例3
char c1[] ={'a', 'b', '\0', 'd', 'e'};
char c2[] ="hello";
sizeof(c1) strlen(c1); // 5 2
sizeof(c2) strlen(c2); // 6 5

例4
char *str1 ="hello";
char str2[] = "hello";
sizeof(str1) stelen(str1) // 4, 5(32位OS上,在64位OS上为:8, 5)
区别:str1是变量,str2是char const 类型;
注:sizeof(string)问题
string的实现在各库中可能有所不同,但是在同一库中相同一点是,无论你的string里放多长的字符串,它的sizeof()都是固定的,字符串所占的空间是从堆中动态分配的,与sizeof()无关。其大小跟编译器有关,VC6.0测试后sizeof(string)=16.  DEV C++中为4。
 
 
 
字节对齐

需要字节对齐的根本原因在于CPU访问数据的效率问题。不仅是便于cpu快速访问,同时合理的利用字节对齐可以有效地节省存储空间
 
#pragma pack(n) // 指定内存对齐方式,往后的的代码什么的不按自身宽度对齐而是按指定宽度对齐;
#pragma pack() //  取消用户自定义字节对齐方式

#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候,这个n值的大小将不产生任何效果。

 __attribute((aligned (n))),让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。
如果结构中有成员的长度大于n,则按照最大成员的长度来对齐。
 __attribute__ ((packed)),取消结构在编译过程中的优化对齐,按照实际占用字节数进行对齐。


GCC默认按4字节对齐,

对于标准数据类型,地址只要是它的长度的整数倍就行了,而非标准数据类型按下面的原则对齐:

数组:按照基本数据类型对齐,第一个对齐了后面的自然也就对齐了。

枚举:只占4个字节;

联合体:大于等于其成员中最宽的成员,且是其他成员变量基本类型的整数倍;

结构体:结构体中数据成员都要对齐,且结构体整体也需要对齐(整体对齐为数据成员最大基本类型的整数倍);

        类:看下文;

 
 
 
内存占用

1、枚举eunm
对于enum变量,指一个被命名的整型常数的集合,本质上是一组(int型)常数,只占固定的 4 个字节;
定义格式:
    enum 枚举名 {枚举元素1, 枚举元素2, ……};
注意:第一个枚举成员的默认值为整型的 0,后续枚举成员的值在前一个成员上加 1。

enum season {spring, summer=3, autumn, winter};
没有指定值的枚举元素,其值为前一元素加 1。也就说 spring 的值为 0,summer 的值为 3,
autumn 的值为 4,winter 的值为 5

 

2、联合体union
所有成员相对于基地址均为0,共享一段内存,并且同一时间只能储存其中一个成员变量的值(即后面的赋值将覆盖前面的赋值)空间需足够宽(大于等于其成员中最宽的成员)且大小能被其包含的所有基本数据类型的大小所整除。
// GCC 默认 4字节对齐
union test{
    char s[9];      // 9
    int  a;         // 4
    double b;       // 8
};
sizeof( test );   //>=最宽数据成员9, 且同时是其他类型char(1)、(int)4和double(8)的整数倍, 因此为16

union test{
    char s[8];      // 8
    int  a;         // 4
    double b;       // 8
};
printf("%d\n", sizeof( test ) ); // >=最宽数据成员8, 且同时是其他类型char(1)、
(int)4和double(8)的整数倍, 因此为8

 

 
 
3、结构体struct
结构体各成员根据定义依次申请内存空间,其中包含数据成员自身对齐和结构体本身的对齐整体对齐为数据成员中最大基本类型的整数倍);
struct struct_test_1{
    char a;        // 1
    int b;         // 4
    double c;      // 8
}test1;
sizeof( test1 );   // 16 

struct struct_test_2{
    char a;          // 1
    double     b;    // 8
    int c;           // 4
    static int d;    // 存放在静态数据区,sizeof() 不计static所占用空间
}test2;
sizeof( test2 )      // 24
对struct_test_2分析:
    首先char a 申请一个字节空间,开辟首地址,之后double b存入; 它会认为内存是以自己的大小(double = 8 byte)来划分,
因此元素放置在自身宽度的整数倍开始(原则一),故b不从偏移1开始,因为不是整数倍,故中间填充7字节,此时消耗16字节,
再开辟int c,4 字节,是从4字节的整数倍开始,故消耗了20字节。此时存储单元不是最宽元素(8bytes)的整数倍,
故按最宽元素整数倍对齐(原则二);一共消耗24 字节。

struct Data
{
    int a;          // 4
    float b;        // 4 
    double c;       // 8
    char d[21];     // 21
}data;    
printf("%d\n", sizeof(data) ); // 40 整体对齐为  数据成员最大基本类型(double)的整数倍



有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节,只需要占用一个或几个二进制位即可。
例如开关只有通电和断电两种状态,用 0 和 1 表示足以,也就是用一个二进位。
正是基于这种考虑,C语言又提供了一种叫做 位域 的数据结构。位域本质上是一种结构类型,
不过其成员是按二进制位分配的。并且其类型必须是int型,这就包括有符号和无符号的。

在结构体或是联合体定义时,我们可以指定某个成员变量所占的用的二进制(bit)位数,这就是位域。
位域的使用和结构体成员的使用相同,其一般形式为:
变量类型 位域变量名:位域  其中(位域变量名为可选项,)
    struct bs{
        int a:8;
        int b:2;
        int c:5;
    };
    printf("%d ", sizeof(struct bs) ); // 4
位域使用规则如下:
1、位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度, 比如:unsigned int,长度为 4 个字节,数字就不能超过 32
2、位域可以无位域名,这时它只用来作填充或调整成员位置。因为没有名称,无名的位域是不能使用的。

位域存储规则如下:
1、依然遵循struct的 对齐规则;

2、当相邻成员的类型相同时,如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员紧邻前一个成员存储,
直到不能容纳为止;如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员将从新的存储单元开始,其偏移量为类型大小的整数倍。
    struct bs{
        int a:26;
        int b:2;
        int c:5;
    };
    printf("%d ", sizeof(struct bs) ); // 8
3、如果成员之间穿插着非位域成员,那么不会进行压缩。
  struct bs{
        int a:26;
        int b;
        int c:5;
    };
    printf("%d ", sizeof(struct bs) ); // 12
4、当相邻成员的类型不同时,不同的编译器有不同的实现方案,GCC 会压缩存储,而 VC/VS 不会。

 

 
实例1
struct A{
  int a;//4
  short b;//2+2
  int c;//4
  char d;//1+3
}; 
struct B{
  int a; // 4
  short b; // 2
  char d;// 1 + 1
  int c; // 4
};

sizeof(A) = 16, sizeof(B) = 12

实例2

struct foo{
    char a; // 1 + 3
    int b[10]; // 4 * 10
    char c;// +1
};// 48
void main_2()
{
    struct foo f={'X', {10,20,30,40,50,60,70,80,90}, 'F'};
    
    cout << "单个成员变量值" << endl;
    printf("%c %d %c \n", f.a, f.b[0], f.c);
    // cout << f.a<< " " << f.b[0]<< " " << f.c<< endl; // f.b[0] 输出是有错误的
        
    cout << "相对偏移量" << endl;
    printf ("sizeof() = %d\n", sizeof(foo) );
    printf ("offsetof(struct foo,a) is %d\n",(int)offsetof(struct foo,a));//输出 0
    printf ("offsetof(struct foo,b) is %d\n",(int)offsetof(struct foo,b));//输出 1
    printf ("offsetof(struct foo,c) is %d\n",(int)offsetof(struct foo,c));//输出 11
    
    cout << "相对地址" << endl;
    printf("struct          address:0x%x\n",&f);
    printf("struct member a address:0x%x\n",&(f.a) );
    printf("struct member b address:0x%x\n",&(f.b) );
    printf("struct member c address:0x%x\n",&(f.c) );
    
    cout << "\n用地址操作单个成员变量值" << endl;
    char *p = (char *)(&f);
    // 由于存在 字节对齐问题  
    printf("地址:%#x 内容:%c \n", p, *p);
    printf("地址:%#x 内容:%d \n", p+4, *(p+4) );
    printf("地址:%#x 内容:%d \n", p+8, *(p+8) );
    printf("地址:%#x 内容:%c \n", p+44, *(p+44) );
}
 
 
 
 
4、C++类需考虑内存对齐问题,和struct类似
 
a、空类占一个字节
class A{
    
};
cout << "sizeof(A) "<< sizeof(A) << endl;// 1
 
b、数据成员所占内存按struct的计算方式计算(访问权限属性不影响存储,考虑到包含其他如struct、emun、union等复杂结构仍需先按自身类型对齐,在按class的算),其中static数据不是对象属性,而是类属性,其存储在数据区,sizeof 不计算其空间;
class A{
    int a;
    double c;
    char b;
    union{
        int aa;
        char bb[9];
        double cc;
    }test;
};
cout << "sizeof(A) "<< sizeof(A) << endl;// 40 = 4 + 4 + 8 + 1 + 7 + 16 
 
c、不管是static还是非static成员函数,非虚成员函数均不占空间
class B{
public:
    void func1(){}
    void func2(){}
};
cout << "sizeof(A) "<< sizeof(A) << endl;// 1
 
d、若存在虚函数,在类开辟的空间开始位置插入虚函数表(虚函数vptr指针),
  所有同一个类的虚函数共享一个虚函数表,故一共占用4个字节
class B{
public:
    void func1(){}
    void func2(){}
     virtual void func3() {}
     virtual void func4() {}
};
cout << "sizeof(A) "<< sizeof(A) << endl;// 4
 
e、继承时,在内存中,派生类所在位置在基类前面;
非虚继情况下,不管基类存不存在虚函数,派生类会和基类均会共同使用一个虚函数表,
虚继情况下,基类存在不存在虚函数,派生类的虚函数会共同使用派生类自己的虚函数表
class B     
{  
private:
    char ch;     
    virtual void func0()  {  }   
};
class BB: public B  
{     
public:
    int e;     
    virtual void func0()  {  }   
    virtual void func1()  {  }  
};
class BB1: virtual public B  // 虚继承
{     
public:
    int e;     
    virtual void func0()  {  }   
    virtual void func1()  {  }  
};

      cout<< "sizeof(B)" << sizeof(B) <<endl; // 8
//    B的内存分布
//    4字节 虚表指针
//    1字节 ch
//    3字节 补齐,因为最大的字段(虚表长度)size为4,所以结构体补全成4的倍数
    
    cout<< "sizeof(BB)"<< sizeof(BB) <<endl; // 12
    cout<< "sizeof(BB1)"<< sizeof(BB1) <<endl; // 16
 
 
总结1:
1、结构体或联合体的数据成员对齐规则:
第一个数据成员放在ofset为0的地方,以后每个数据成员的对齐按照#pragmapack指定的数值和这个数据成员自身长度中,比较小的那个进行。
2、结构体或联合体的整体对齐规则:
在数据成员完成各自对齐之后,结构或联合本身也要进行对齐,对齐将按照#pragmapack指定的数值和结构或联合最大数据成员长度中,比较小的那个进行。
 
 
总结2:
1、基类对象的存储空间 = 非static数据成员大小 + 4字节虚函数表空间(若存在虚函数);
 
2、派生类对象大小 = 基类对象大小 + 派生类独有的非static数据成员大小(注意复杂结构的字节对齐) (普通继承而非虚继承,派生类会与基类共享虚函数表);
 
3、虚继承(在继承方式中加关键字virtual)的存储空间 = 基类对象大小 + 派生类独有的非static数据成员大小(注意复杂结构的字节对齐) + 每个类的虚函数存储空间;
 
 
 

 
 
虚继承
 
在多继承时,如果一个派生类从多个基类派生,而这些基类又有一个共同的基类,则在对该基类中声明的名字进行访问时,可能产生二义性。或者, 如果在多条继承路径上有一个公共的基类,那么在继承路径的某处 汇合点,这个公共基类就会在派生类的对象中产生多个基类子对象。
 要使这个公共基类在派生类中只产生一个子对象,必须对这个基类 声明为虚继承,使这个基类成为虚基类。
 
使用虚继承之后
 
 
 
 
 
 
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