是否存在“int”会导致结构填充的环境？

Question

具体来说，这是在讨论中提出的：

内存消耗明智，是否有可能使用两个ints 中的struct 比仅使用两个ints 占用更多内存？

或者，在语言方面：

#include <iostream>

struct S { int a, b; };

int main() {
    std::cout << (sizeof(S) > sizeof(int) * 2 ? "bigger" : "the same") << std::endl;
}

是否有任何合理的¹（不一定是常见的或当前的）环境可以让这个小程序打印bigger？

¹澄清一下，我的意思是系统（和编译器）以某种有意义的数量开发和生产，而不是仅仅为了证明这一点而构建的理论示例，或者一次性原型或业余爱好者的创作。

Answer 1

一个只能访问 64 位块内存的系统可能会选择使用 32 位“int”大小来与其他可能会被 uint32_t 提升到的程序兼容，这并非完全不可信。更大的类型。在这样的系统上，具有偶数个“int”值的结构可能没有额外的填充，但具有奇数个值的结构可能会这样做。

从实际的角度来看，具有两个 int 值的结构需要填充的唯一方法是结构的对齐方式超过两倍于“int”。反过来，这将要求结构的对齐方式比 64 位更粗糙，或者 int 的大小小于 32 位。后一种情况本身并不罕见，但是以一种使 struct 对齐方式比 int 对齐方式粗两倍以上的方式结合起来看起来很奇怪。

Answer 2

在您的具体示例中，struct S { int a, b; };，我看不到任何合理的填充参数。 int 应该已经自然对齐，如果是，int * 可以而且应该是指针的自然表示，S * 没有必要有任何不同。但总的来说：

一些罕见的系统具有不同表示的指针，例如int * 仅表示为表示“字”地址的整数，char * 是字地址和该字的字节偏移量的组合（其中字节偏移量存储在字地址的其他不需要的高位中）。取消引用 char * 在软件中通过加载字，然后进行屏蔽和移位以获得正确的字节。

在这样的实现中，确保所有结构类型具有最小对齐可能是有意义的，即使结构的成员不需要它，只是为了使指向该结构的指针不需要字节偏移混乱。这意味着给定struct S { char a, b; };、sizeof(S) > 2 是合理的。具体来说，我希望sizeof(S) == sizeof(int)。

我从未亲自使用过这样的实现，所以我不知道它们是否确实产生了这样的填充。但是这样做的实现是合理的，并且至少非常接近现有的实际实现。

Answer 3

我知道这不是您所要求的，这不符合您的问题的精神（因为您可能考虑到标准布局类），但严格回答这部分：

内存消耗明智，是否有可能使用结构 两个整数比两个整数占用更多的内存？

答案有点……是的：

struct S
{
    int a;
    int b;

    virtual ~S() = default;
};

_{带有迂腐的注释，即 C++ 没有结构，它有类。 struct 是引入类的声明/定义的关键字。}

Answer 4

理论上填充用于提供访问内存区域的有效方式。如果将填充添加到 2 个整数变量会比是它可以有填充增加效率。但实际上我没有遇到任何具有 2 个整数的结构有填充位.

Answer 5

是否有任何合理的（不一定是常见的或当前的）环境可以让这个小程序打印得更大？

我不知道。我知道那是not completely reassuring，但我有理由相信由于 C++ 标准的要求，没有这样的环境。

在符合标准的†编译器中，以下保持：

• (1) 数组元素之间不能有任何填充，因为它们可以通过指针访问^ref;
• (2) 标准布局结构在每个成员之后可能有也可能没有填充，但没有在开头，因为它们与“更短”但相等的标准布局结构的布局兼容ref;
• (3) 数组元素和结构成员正确对齐^ref;

从 (1) 和 (3) 可以得出，类型的对齐方式小于或等于其大小。如果它更大，则数组将需要添加填充以使其所有元素对齐。出于同样的原因，类型的大小始终是其对齐方式的整数倍。

这意味着在一个给定的结构中，第二个成员将始终正确对齐 - 无论 int 的大小和对齐方式如何 - 如果放置在第一个成员之后，即不需要间隙填充。在这种布局下，结构体的大小也已经是其对齐方式的倍数，因此也不需要尾部填充。

没有我们可以选择的符合标准的（大小、对齐）值集使该结构需要任何形式的填充。

任何这样的填充都需要不同的目的。然而，这样的目的似乎难以实现。假设有一个环境出于某种原因需要这个填充。无论填充的原因是什么，它都可能......也适用于数组的情况，但从（1）我们知道它不能。

但是假设这样的环境确实存在，并且我们需要一个 C++ 编译器来支持它。它可以通过简单地使 int 变得更大，即通过将填充 inside 放在 int 中来支持数组中这种额外需要的填充。反过来，这将再次允许结构与两个 int 大小相同，并且让我们没有理由添加填充。

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† 一个编译器——即使是一个不符合标准的编译器——如果出现任何这些错误，都可以说是有问题的，所以我会忽略这些。

‡我猜想，在数组和结构都是基元的环境中，可能存在一些潜在的区别，使我们可以使用未填充的数组和填充的结构，但同样，我在使用 don't know of any such thing。