为什么 class 大小会在 int64_t 更改为 int32_t 时增加

Question

在我的第一个示例中，我有两个使用 int64_t 的位域。当我编译并获得 class 的大小时，我得到 8.

class Test
{
    int64_t first : 40;
    int64_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test); // 8
}

但是当我将第二个 bitfeild 更改为 int32_t 时，class 的大小加倍为 16:

class Test
{
    int64_t first : 40;
    int32_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test); // 16
}

这在 GCC 5.3.0 和 MSVC 2015 上都会发生。但是为什么呢？

Answer 1

在你的第一个例子中

int64_t first : 40;
int64_t second : 24;

first 和 second 都使用单个 64 位整数的 64 位。这导致 class 的大小为单个 64 位整数。在第二个例子中你有

int64_t first : 40;
int32_t second : 24;

这是存储在两个不同内存块中的两个独立位域。您使用 64 位整数的 40 位，然后使用另一个 32 位整数的 24 位。这意味着您至少需要 12 个字节（此示例使用 8 位字节）。您看到的额外 4 个字节很可能是填充以在 64 位边界上对齐 class。

正如其他答案和评论所指出的那样，这是实现定义的行为，您 can/will 在不同的实现上看到不同的结果。

Answer 2

C 标准的位域规则不够精确，无法告诉程序员有关布局的任何有用信息，但仍然拒绝实现可能有用的自由。

特别是，位域需要存储在指定类型的对象中，或者 signed/unsigned 等同的类型。在您的第一个示例中，第一个位域必须存储在 int64_t 或 uint64_t 对象中，第二个也一样，但是有足够的空间让他们适应同一个对象。在第二个示例中，第一个位域必须存储在 int64_t 或 uint64_t，以及 int32_t 或 uint32_t 中的第二个。 uint64_t 将有 24 位，即使在结构的末尾添加了额外的位字段，也将是 "stranded"； uint32_t 有 8 位当前未使用，但可用于另一个宽度小于 8 的 int32_t 或 uint32_t 位域被添加到类型中。

恕我直言，标准在给予编译器自由与给予程序员有用之间取得了最糟糕的平衡 information/control，但事实就是如此。我个人认为，如果首选语法让程序员根据普通对象精确指定其布局，位域会更有用（例如，位域 "foo" 应存储在 3 位中，从第 4 位（值为 16）开始，字段 "foo_bar") 但我知道没有计划在标准中定义这样的东西。

Answer 3

标准说：

§ 9.6 bit-fields

Allocation of bit-fields within a class object is implementation-defined. Alignment of bit-fields is implementation-defined. [Note: Bit-fields straddle allocation units on some machines and not on others. Bit-fields are assigned right-to-left on some machines, left-to-right on others. — end note]

c++11 paper

因此布局取决于编译器实现、编译标志、目标架构等。刚刚检查了几个编译器，输出大部分是 8 8:

#include <stdint.h>
#include <iostream>

class Test32
{
    int64_t first : 40;
    int32_t second : 24;
};

class Test64
{
    int64_t first : 40;
    int64_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test32) << " " << sizeof(Test64);
}

Answer 4

补充一下其他人已经说过的话：

如果要检查它，可以使用编译器选项或外部程序输出结构布局。

考虑这个文件：

// test.cpp
#include <cstdint>

class Test_1 {
    int64_t first  : 40;
    int64_t second : 24;
};

class Test_2 {
    int64_t first  : 40;
    int32_t second : 24;
};

// Dummy instances to force Clang to output layout.
Test_1 t1;
Test_2 t2;

如果我们使用布局输出标志，例如 Visual Studio 的 /d1reportSingleClassLayoutX（其中 X 是 class 或结构名称的全部或一部分）或Clang++ 的 -Xclang -fdump-record-layouts（其中 -Xclang 告诉编译器将 -fdump-record-layouts 解释为 Clang 前端命令而不是 GCC 前端命令），我们可以转储 Test_1 和 Test_2 到标准输出。 [不幸的是，我不确定如何直接使用 GCC 执行此操作。]

如果我们这样做，编译器将输出以下布局：

Visual Studio:

cl /c /d1reportSingleClassLayoutTest test.cpp

// Output:
tst.cpp
class Test_1    size(8):
    +---
 0. | first (bitstart=0,nbits=40)
 0. | second (bitstart=40,nbits=24)
    +---



class Test_2    size(16):
    +---
 0. | first (bitstart=0,nbits=40)
 8. | second (bitstart=0,nbits=24)
    | <alignment member> (size=4)
    +---

叮当声：

clang++ -c -std=c++11 -Xclang -fdump-record-layouts test.cpp

// Output:
*** Dumping AST Record Layout
   0 | class Test_1
   0 |   int64_t first
   5 |   int64_t second
     | [sizeof=8, dsize=8, align=8
     |  nvsize=8, nvalign=8]

*** Dumping IRgen Record Layout
Record: CXXRecordDecl 0x344dfa8 <source_file.cpp:3:1, line:6:1> line:3:7 referenced class Test_1 definition
|-CXXRecordDecl 0x344e0c0 <col:1, col:7> col:7 implicit class Test_1
|-FieldDecl 0x344e1a0 <line:4:2, col:19> col:10 first 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e170 <col:19> 'int' 40
|-FieldDecl 0x344e218 <line:5:2, col:19> col:10 second 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e1e8 <col:19> 'int' 24
|-CXXConstructorDecl 0x3490d88 <line:3:7> col:7 implicit used Test_1 'void (void) noexcept' inline
| `-CompoundStmt 0x34912b0 <col:7>
|-CXXConstructorDecl 0x3490ee8 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_1 'void (const class Test_1 &)' inline noexcept-unevaluated 0x3490ee8
| `-ParmVarDecl 0x3491030 <col:7> col:7 'const class Test_1 &'
`-CXXConstructorDecl 0x34910c8 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_1 'void (class Test_1 &&)' inline noexcept-unevaluated 0x34910c8
  `-ParmVarDecl 0x3491210 <col:7> col:7 'class Test_1 &&'

Layout: <CGRecordLayout
  LLVMType:%class.Test_1 = type { i64 }
  NonVirtualBaseLLVMType:%class.Test_1 = type { i64 }
  IsZeroInitializable:1
  BitFields:[
    <CGBitFieldInfo Offset:0 Size:40 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
    <CGBitFieldInfo Offset:40 Size:24 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
]>

*** Dumping AST Record Layout
   0 | class Test_2
   0 |   int64_t first
   5 |   int32_t second
     | [sizeof=8, dsize=8, align=8
     |  nvsize=8, nvalign=8]

*** Dumping IRgen Record Layout
Record: CXXRecordDecl 0x344e260 <source_file.cpp:8:1, line:11:1> line:8:7 referenced class Test_2 definition
|-CXXRecordDecl 0x344e370 <col:1, col:7> col:7 implicit class Test_2
|-FieldDecl 0x3490bd0 <line:9:2, col:19> col:10 first 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e400 <col:19> 'int' 40
|-FieldDecl 0x3490c70 <line:10:2, col:19> col:10 second 'int32_t':'int'
| `-IntegerLiteral 0x3490c40 <col:19> 'int' 24
|-CXXConstructorDecl 0x3491438 <line:8:7> col:7 implicit used Test_2 'void (void) noexcept' inline
| `-CompoundStmt 0x34918f8 <col:7>
|-CXXConstructorDecl 0x3491568 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_2 'void (const class Test_2 &)' inline noexcept-unevaluated 0x3491568
| `-ParmVarDecl 0x34916b0 <col:7> col:7 'const class Test_2 &'
`-CXXConstructorDecl 0x3491748 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_2 'void (class Test_2 &&)' inline noexcept-unevaluated 0x3491748
  `-ParmVarDecl 0x3491890 <col:7> col:7 'class Test_2 &&'

Layout: <CGRecordLayout
  LLVMType:%class.Test_2 = type { i64 }
  NonVirtualBaseLLVMType:%class.Test_2 = type { i64 }
  IsZeroInitializable:1
  BitFields:[
    <CGBitFieldInfo Offset:0 Size:40 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
    <CGBitFieldInfo Offset:40 Size:24 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
]>

请注意，我用来生成此输出的 Clang 版本（Rextester 使用的版本）似乎默认将两个位域优化为单个变量，我不确定如何禁用此行为.

为什么 class 大小会在 int64_t 更改为 int32_t 时增加

Why class size increases when int64_t changes to int32_t

c++

memory-alignment

bit-fields

memory-layout

object-layout