隐藏在 C++ 类中嵌入 char 数组中的数据成员的性能、安全性和对齐方式是什么?

2024-04-30

我最近看到一个代码库,我担心它违反了对齐约束。我已经对其进行了擦洗,以生成一个最小的示例,如下所示。简而言之,球员们是:

  • Pool。对于“高效”的某些定义,这是一个有效分配内存的类。Pool保证返回一块与请求大小对齐的内存块。

  • Obj_list。此类存储同构对象集合。一旦对象的数量超过某个阈值,它就会将其内部表示从列表更改为树。的大小Obj_list是一个指针(在 64 位平台上为 8 个字节)。其店面的客流量当然会超过这个数字。

  • 总计的。该类代表系统中非常常见的对象。它的历史可以追溯到早期的 32 位工作站时代,并且它经过“优化”(在同一个 32 位时代)以使用尽可能少的空间。总计的s 可以为空,也可以管理任意数量的对象。

在这个例子中,总计的项目总是从分配Pools,所以它们总是对齐的。唯一出现的情况是Obj_list在此示例中是“隐藏”成员总计的对象,因此它们总是使用分配安置新。以下是支持类:

class Pool
{
public:
   Pool();
   virtual ~Pool();
   void *allocate(size_t size);
   static Pool *default_pool();   // returns a global pool
};

class Obj_list
{
public:
   inline void *operator new(size_t s, void * p) { return p; }

   Obj_list(const Args *args);
   // when constructed, Obj_list will allocate representation_p, which
   // can take up much more space.

   ~Obj_list();

private:
   Obj_list_store *representation_p;
};

这是聚合。注意会员声明会员列表商店_d:

// Aggregate is derived from Lesser, which is twelve bytes in size
class Aggregate : public Lesser
{
public:
   inline void *operator new(size_t s) {
      return Pool::default_pool->allocate(s);
   }

   inline void *operator new(size_t s, Pool *h) {
      return h->allocate(s);
   }

public:

   Aggregate(const Args *args = NULL);
   virtual ~Aggregate() {};

   inline const Obj_list *member_list_store_p() const;

protected:
   char member_list_store_d[sizeof(Obj_list)];
};

这是我最关心的数据成员。这是初始化和访问的伪代码:

Aggregate::Aggregate(const Args *args)
{
   if (args) {
      new (static_cast<void *>(member_list_store_d)) Obj_list(args);
   }
   else {
      zero_out(member_list_store_d);
   }
}

inline const Obj_list *Aggregate::member_list_store_p() const
{
   return initialized(member_list_store_d) ? (Obj_list *) &member_list_store_d : 0;
}

您可能会建议我们将 char 数组替换为指向Obj_list类型,初始化为 NULL 或类的实例。这给出了正确的语义,但只是改变了内存成本。如果内存仍然非常宝贵(可能是这样,这是 EDA 数据库表示形式),请将 char 数组替换为指向Obj_list在这种情况下会多花费一个指针总计的物体do有会员。

除此之外,我真的不想分散对这里主要问题的注意力,即对齐。我think上述构造是有问题的,但除了对“系统/库”的对齐行为的一些模糊讨论之外,在标准中找不到更多内容new.

那么,上述结构除了导致偶尔的管道停顿之外还有其他作用吗?

Edit: 我意识到有办法replace使用嵌入式 char 数组的方法。最初的建筑师也是如此。他们丢弃了它们,因为内存非常宝贵。现在,如果我有理由接触该代码,我可能会更改它。

然而,我希望人们能够解决我的问题,即这种方法固有的一致性问题。谢谢!


好的 - 有机会正确阅读它。您遇到对齐问题,并且当您将 char 数组作为 Obj_list 访问时会调用未定义的行为。您的平台很可能会执行以下三件事之一:让您摆脱它,让您在运行时惩罚下摆脱它,或者偶尔因总线错误而崩溃。

解决此问题的便携式选项有:

  • 使用 malloc 分配存储空间或 全局分配函数,但是 你也觉得这太 昂贵的。
  • 正如 Arkadiy 所说,让你的缓冲区成为 Obj_list 成员:

    Obj_list list;
    

但你现在不想支付建设成本。您可以通过提供一个内联的不执行任何操作的构造函数来缓解这种情况,该构造函数仅用于创建此实例 - 正如发布的默认构造函数所做的那样。如果您遵循此路线,请强烈考虑调用 dtor

list.~Obj_list();

在将新内容放入此存储之前。

否则,我认为您只剩下不可移植的选项:要么依赖平台对未对齐访问的容忍度,要么使用编译器为您提供的任何不可移植的选项。

免责声明:我完全有可能错过了工会或类似机构的技巧。这是一个不寻常的问题。

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