.NET Core 类中的结构对齐

Question

我试图理解为什么一个只包含 int 的结构在一个类中占用 8 个字节的内存。

考虑以下代码；

static void Main()
{
    var rand = new Random();

    var twoIntStruct = new TwoStruct(new IntStruct(rand.Next()), new IntStruct(rand.Next()));
    var twoInt = new TwoInt(rand.Next(), rand.Next());

    Console.ReadLine();
}

public readonly struct IntStruct
{
    public int Value { get; }

    internal IntStruct(int value)
    {
        Value = value;
    }
}

public class TwoStruct
{
    private readonly IntStruct A;
    private readonly IntStruct B;

    public TwoStruct(
        IntStruct a,
        IntStruct b)
    {
        A = a;
        B = b;
    }
}

public class TwoInt
{
    private readonly int A;
    private readonly int B;

    public TwoInt(
        int a,
        int b)
    {
        A = a;
        B = b;
    }
}

现在，当我使用 dotMemory 分析这两个实例时，我得到以下结果：

虽然 int 和 intStruct 都在堆栈上占用 4 个字节的内存，但看起来堆上的类大小不同，并且该结构始终与 8 个字节对齐。

什么会导致这种行为？

Answer 1

对于类，默认内存布局为“自动”，这意味着 CLR 自行决定如何在内存中对齐类中的字段。这是一个未记录的实现细节。出于某种我不知道的原因，它在指针大小边界处对齐自定义值类型的字段（因此，在 64 位进程中为 8 个字节，在 32 位中为 4 个字节）。

如果您以 32 位编译该代码，您将看到 TwoInt 和 TwoStruct 现在占用 16 个字节（4 个用于对象头，4 个用于方法表指针，然后 8 个用于字段），因为现在它们以 4 字节边界对齐。

在 64 位情况下，就像在您的问题中一样，自定义值类型在 8 字节边界处对齐，因此 TwoStruct 的布局为：

Object Header (8 bytes)
Method Table Pointer (8 bytes)
IntStruct A (4 bytes)
padding (4 bytes, to align at 8 bytes)
IntStruct B (4 bytes)
padding (4 bytes)

而TwoInt 只是

Object Header (8 bytes)
Method Table Pointer (8 bytes)
IntStruct A (4 bytes)
IntStruct B (4 bytes)

因为int 不是自定义值类型 - CLR 不会在指针大小边界处对齐它。如果我们使用IntStruct 而不是LongStruct 和long 而不是int - 那么这两种情况将具有相同的大小，因为long 是8 个字节，即使对于自定义结构CLR 也不需要添加任何填充将其对齐在 64 位中的 8 字节边界。

这是与该问题相关的interesting article。作者开发了一个非常有趣的工具来直接从 .NET 代码检查对象的内存布局（无需外部工具）。他调查了同样的问题并得出上述结论：

如果类型布局是 LayoutKind.Auto，CLR 将填充每个字段 自定义值类型！这意味着如果您有多个结构 只包装一个 int 或 byte，它们被广泛用于数百万 对象，由于填充，您可能会有明显的内存开销！

你 can affect 使用 StructLayouAttribute 和 LayoutKind = Sequential 的类的托管布局如果这个类中的所有字段都是 blittable （在这个问题中就是这种情况）：

对于 blittable 类型，LayoutKind.Sequential 控制布局 托管内存和非托管内存中的布局。对于非 blittable types，它控制类或结构编组时的布局 到非托管代码，但不控制托管内存中的布局

如 cmets 中所述，我们可以通过以下方式移除填充：

[StructLayoutAttribute(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
public class TwoStruct
{
    private readonly IntStruct A;
    private readonly IntStruct B;

    public TwoStruct(
        IntStruct a,
        IntStruct b)
    {
        A = a;
        B = b;
    }
}

这实际上会为我们节省一些内存。