面试题：C++中class与struct内存布局差异之复杂场景与优化

Question

考虑一个复杂场景，有多层继承和不同访问修饰符的情况：class Base1 { private: int a; protected: char b; public: float c; }; struct Intermediate : Base1 { int d; }; class Final : Intermediate { private: double e; public: bool f; }; 在64位系统下，且使用自定义对齐方式（#pragma pack(4)），请详细描述Final类实例的内存布局，并阐述如何通过调整成员顺序优化内存占用。同时分析如果是struct Final : Intermediate { private: double e; public: bool f; }; 这种情况与class Final的内存布局和优化情况的异同。

Answer 1

Final类实例的内存布局

在64位系统下，使用#pragma pack(4)自定义对齐方式，分析Final类的内存布局：

1. Base1部分：
   • private: int a：int通常为4字节，按4字节对齐。
   • protected: char b：char为1字节，按4字节对齐，需填充3字节达到4字节对齐。
   • public: float c：float为4字节，按4字节对齐。
   • Base1类大小为4 + 4 + 4 = 12字节（由于#pragma pack(4)，每个成员按4字节对齐，char后填充3字节）。
2. Intermediate部分：
   • int d：int为4字节，按4字节对齐。
   • Intermediate类继承自Base1，其大小为12 + 4 = 16字节。
3. Final部分：
   • private: double e：double为8字节，按4字节对齐，需填充4字节达到8字节对齐。
   • public: bool f：bool为1字节，按4字节对齐，需填充3字节达到4字节对齐。
   • Final类继承自Intermediate，其大小为16 + 8 + 4 = 28字节（总大小为28字节，因为对齐方式为4字节，double后填充4字节，bool后填充3字节）。

内存占用优化

1. 调整成员顺序：将成员按照占用字节数从大到小排列，可减少填充字节。例如，将Final类成员顺序调整为double e、float c、int a、int d、char b、bool f。
   • double e：8字节，按4字节对齐，无需填充。
   • float c：4字节，按4字节对齐，无需填充。
   • int a：4字节，按4字节对齐，无需填充。
   • int d：4字节，按4字节对齐，无需填充。
   • char b：1字节，按4字节对齐，需填充3字节。
   • bool f：1字节，按4字节对齐，需填充3字节。
   • 调整后Final类大小为8 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 = 28字节（原布局也是28字节，但在更复杂情况下，此调整可能优化内存）。

struct Final与class Final的异同

1. 内存布局：
   • 相同点：在这种继承结构下，内存布局是相同的。因为struct和class在继承和成员布局上遵循相同的规则，只是默认访问修饰符不同（struct默认public，class默认private），而这里显式指定了访问修饰符，所以内存布局不受影响。
   • 不同点：理论上，如果没有显式指定访问修饰符，struct Final中继承自Intermediate的成员默认是public，class Final中继承自Intermediate的成员默认是private。但在本题中显式指定了访问修饰符，所以在内存布局上没有不同。
2. 优化情况：
   • 相同点：优化方式和效果是相同的。因为内存布局相同，调整成员顺序的优化策略对两者同样适用。
   • 不同点：无本质不同，因为优化主要基于内存对齐和成员顺序，与struct和class的默认访问修饰符无关，本题又显式指定了访问修饰符。