C++ 内存对齐及引用是否真的节省内存的一点思考

文章目录

1. 内存对齐
2. 递归中的内存对齐
3. C++引用的本质
4. 致谢

1. 内存对齐

通过以下语句，获取变量的占用内存打下：

cout << "size of int " << sizeof(int) << endl;
cout << "size of int& " << sizeof(int&) << endl;
cout << "size of char " << sizeof(char) << endl;

int 和 int& 都占 4 字节， char 占 1 字节

编写一个类：其包含1个 int，2个 char，排列顺序不同。

class memory1
{int id;char a;char b;
};
class memory2
{char a;int id;char b;
};
class memory3
{char a;char b;int id;
};

可以看见，他们的占用空间大小是不一样的。

size of memory1 8
size of memory2 12
size of memory3 8

计算机从内存读取数据是按块读取的，一般是4或者8的倍数一块，一起读取
CPU和内存IO的硬件限制导致没办法将一个数据类型分在两个块中读取
内存对齐，可以加快程序的运行速度，一般编译器会在后台进行内存对齐优化，但是也不能做到十分完美
内存对齐的参数可以更改，#pragma pack(n)，n = 1,2,4,8,16

所以上面的memory类的内存对齐是按照4字节进行的，计算机按照顺序分配内存，4字节剩余空间能放下某个类型的，就放进去，放不进去的，新往下找一块4字节的空间放 int

加入#pragma pack(1)，可见就是紧密排列了。

size of memory1 6
size of memory2 6
size of memory3 6

#pragma pack(2)
size of memory1 6
size of memory2 8
size of memory3 6

2. 递归中的内存对齐

我在做LeetCode题的时候遇到一个递归爆栈问题：

在这里做一些测试，不保证结果具有通用性，也请大家指正。

void dfs(int i) {int k = 0;cout << "&k = " << &k << endl;cout << "i = " << i << endl;i = i+1;dfs(i);
}
int main() {int i = 0;dfs(i);
}

变更dfs(i)参数个数
递归次数：32385，第一个k的地址 0x61fdcc，k地址间隔 64₁₀（参数个数为1-4个）

增加参数个数到（5-6个）：
递归次数：25908，第一个k的地址 0x61fdbc（比上面移动了16），k地址间隔 80₁₀
增加参数个数到（7-8个）：
递归次数：21589，第一个k的地址 0x61fdac（比上面移动了32），k地址间隔 96₁₀
增加参数个数到（9-10个）：
递归次数：18505，第一个k的地址 0x61fd8c（比上面移动了64），k地址间隔 112₁₀
增加参数个数到（11个）：
递归次数：16191，第一个k的地址 0x61fd7c（比上面移动了80），k地址间隔 128₁₀

增加参数个数到（10个，且全部改成&引用）：
递归次数：18505，第一个k的地址 0x61fd8c（比上面移动了64），k地址间隔 112₁₀
以上均为win1064位操作系统环境

目前通过结果，可以看见，

参数的增多，递归层数会减小
递归中的栈也遵守内存对齐原则
int 型的 & 对递归深度没有造成影响（win10,64位）

class memory1
{int id;char a[1280];char b;
};
int main() {int i = 0;int j = 0;int a = 0, b = 0, c = 0,d=0,e=0,f=0,g=0,h=0,l=0;memory1 m1;dfs(m1,i, j, a, b,c,d,e,f,g,h);
}

size of memory1 1288

上面程序，

递归次数：1436，第一个k的地址 0x61f34c（比上面移动了2688），k地址间隔 1440₁₀

将 m1 改成&：

cout << "size of memory1& " << sizeof(&m1) << endl;
size of memory1& 8

递归次数：16181，第一个k的地址 0x61f86c（比上面移动了1376），k地址间隔 128₁₀

对于大型结构数据，采用&能大幅节省空间，递归不至于过早爆栈结束。

但是，上面 LeetCode 爆栈就只是把 int&改成int程序就不爆栈了，跟认知的规律是不符合的，还请大佬看看什么原因？

3. C++引用的本质

参考：c++中“引用”的底层实现原理详解
在读完上文后，就清楚了，引用会产生一个8字节的变量存储被引用的变量的地址，所以上面win10的测试结果，有点不可信，可能这就是C++在硬件、操作系统、编译器不同的情况下结果有差异的情况，采用 linux 进行测试

在linux中测试结果：

传入2个int：递归次数174522
传入2个int&：递归次数130885
传入2个double：递归次数130912
传入2个double&：递归次数104668

我想这个数值，已经能够侧面说明上面链接文章中提到的引用本质了，C++引用的本质是指针，但是它跟指针又不一样，C++对指针进行了封装产生了引用，你在使用引用的时候，传给你的是它里面指针所指向的内容。

所以对这种内置的变量类型，函数调用的时候，直接使用copy传入就可以了，还比较省内存（int 4字节，使用 int & 会占用 8字节）

至此，可以解释上面 LeetCode 那道题，传入 int & 爆栈了，而改为 int ，题目就AC通过了。

4. 致谢

感谢焦/huaix提出去掉&可以解决问题，开启了我对这个问题的思考
感谢Thin-k.调试，确认是stack-overflow的问题
感谢CSDN群里的朋友热心讨论和研究，还有论坛朋友akari10032的解答
感谢hitskyer和阿福的答疑
感谢所有在网络上分享知识的每一个博主！

参考链接：
带你深入理解内存对齐最底层原理
C/C++内存对齐详解