如何为类的私有成员和公共成员分配内存

Question

在一个类中，私有成员和公共成员是否分别分配在不同的内存中，还是所有成员按照它们定义的顺序分配？

例如，

class A { 

private:  
    int a1;
    int a2:3;  
public:  
    int z;  
    int a3:2;  
    int a4:5;  
private:
    int a5:2;
}

内存分配时，a1、a2和a5是否被合并在一起？还是只是 a1、a2、a3、a4和a5单独分配？

如果合并发生，可能会改变位字段类的大小。

- Aragon

---

为什么你需要知道那个？Java 是高级语言，不需要关心这个问题，而在 C/C++ 中则不同。 - Jonatan Cloutier

等等，为什么要加Java标签？ - Ben

现在很清楚了！ - Jonatan Cloutier

@JonatanCloutier 如果说私有成员被合并在一起，那么上面的例子中类的大小不会发生变化吗？ - Aragon

我只考虑了Java方面，抱歉不能确定C ++的情况。 - Jonatan Cloutier

@user：是的，在上面的例子中它可能会有所不同。例如，将所有位域打包到类的64位整数成员中完全符合规范，而不同的编译器可能会选择不同的答案。请参见我的回答中的标准文献引用。 - Billy ONeal

Answer 1

• 在给定的可访问性块内，成员的顺序被保留，但在可访问性块之间，成员顺序在C++03中是未指定的。这意味着a1、a2、a5、z、a3、a4将是你上面例子中的一个有效顺序。
• 在C++11中，这一点得到了加强，相同可访问性的成员必须按照声明的顺序放置。（例如，在您的示例中，禁止a5 a1 a2 f a3 a4，因为a5在您的示例中是在a1和a2之后声明的）。不同可访问性的成员之间的顺序是未指定的。
• 编译器可以在任何成员之间插入填充（例如，为了保持对齐）
• 位域的表示是未指定的。它们可以以任何顺序放置，并且不遵守先前的任何规则。因为不能取位域的地址，所以没有机制来观察这一点。

具体的标准参考资料（重点在于我）：

C++03 9.2 [class.mem]/12:

一个（非联合）类中未使用访问说明符声明的非静态数据成员被分配，以便稍后的成员在类对象内具有更高的地址。通过访问说明符分隔的非静态数据成员的分配顺序是未指定的（11.1）。实现对齐要求可能导致两个相邻的成员不会立即相邻分配; 对于管理虚函数（10.3）和虚基类（10.1）所需的空间也可能如此。根据N3376（C ++ 11草案之后的第一篇文章）9.2 [class.mem] / 13：一个（非联合）类中具有相同访问控制（第11条）的非静态数据成员被分配，以便稍后的成员在类对象内具有更高的地址。访问控制不同的非静态数据成员的分配顺序是未指定的。实现对齐要求可能导致两个相邻的成员不会立即相邻分配; 对于管理虚函数（10.3）和虚基类（10.1）所需的空间也可能如此。

N3376 9.6 [class.bit]/1:

在类对象中分配位字段是实现定义的。位字段的对齐方式也是实现定义的。 [...]

/3:

不能将取地址运算符&应用于位字段，因此没有指向位字段的指针。 [...]

- Billy ONeal

Answer 2

C++ 答案：

可能会有遗漏，如有请在评论中指出。

在 C++ 中，对象的布局基于类的类型。在标准中，我相信只有少数几种类可以保证成员的排序。

POD 或 Plain Old Data 类 / 结构与它们的出现顺序完全一样。每个成员都跟在上面声明的成员后面，并添加填充。POD 类/结构是不包含任何访问修饰符、没有任何用户定义的构造函数/析构函数、没有静态声明成员，只包含 POD 成员类型的类/结构。

例如：

struct POD {
    int x;
    int y;
    int z;
};

大多数其他类型的类并没有定义成员在内存中的布局方式。如果一个类/结构有多个访问修饰符，编译器可以自由地放置成员。同样，对于大多数不涉及与硬件工作的情况，C++应该与Java类似，您不需要过多关心它的布局。

以下内容是在删除java标签之前添加的，但仍供参考。 Java答案： Java不能保证对象在内存中的布局方式，您不应该关心它。JVM可以自由地在内存中布局对象。这意味着对象甚至不必在连续的内存中。

现在我不知道任何JVM是否会这样做。更好的猜测是它以类似于C++的方式布置对象。其中每个父类成员都放在子成员之前，并且每个类中的成员都根据大小连续布置，并需要填充。

如果您想检查特定对象在内存中的布局方式，则可以使用反射和sun.misc.Unsafe类。

- Smith_61

---

请注意编译器完全可以在访问块之间重新排序内容。例如，如果编译器想出于某种原因首先放置所有私有成员，它是允许这样做的。 - Billy ONeal

@BillyONeal 我相信我在C++答案中已经涵盖了那部分内容。如果有任何措辞不当的地方，我会接受更好的措辞建议。 - Smith_61

POD与可访问性实际上没有任何关系。POD不涉及类的布局。POD类具有这样的特征，它们是memcpy-able（std::is_trivially_copyable），并且只要分配了存储空间（没有构造函数调用），就被认为已构造。 - Billy ONeal

@BillyONeal 我认为POD类型不能使用访问修饰符。使用它们会使其不再是POD类型。不过，我应该添加一个更好的POD类型定义。 - Smith_61

啊，我忘了。为了符合标准布局（POD的要求之一），所有访问控制必须相同。因此，例如，如果所有非静态数据成员都是私有的，那就没问题了。但是混合使用公共和私有成员是不行的。 - Billy ONeal