理解内存分配

Question

我正在尝试了解std::list数据结构如何分配内存。我创建了一个小测试程序。

#include <cstdio>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>
#include <list>

class MyClass
{
public:

 MyClass();
~MyClass(){}

private:
std::list<unsigned char> numlist;
};

MyClass::MyClass()
{
numlist.push_back(1);
}

int main()
{ 

 MyClass c; // instantiate
}

我在valgrind中运行了上面的片段

$valgrind --leak-check=full ./indepth 
==32330== HEAP SUMMARY:
==32330==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==32330==   total heap usage: 1 allocs, 1 frees, 24 bytes allocated

请帮我理解为什么在这里分配了24个字节。

- hAcKnRoCk

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请检查您的示例，确保没有包含 #include <iostream>。同时请注意，MyClass c; 存储在栈中，首先不进行动态分配。我认为该语句至少会被优化掉。 - πάντα ῥεῖ

@PeteBecker 哎呀，我没有注意到那个。但是不应该分配超过1个字节的空间吧？ - πάντα ῥεῖ

@πάνταῥεῖ：iostream与分配24字节无关。 - hAcKnRoCk

@πάνταῥεῖ - 根据列表的实现方式，它会分配一个1 节点，该节点将具有两个指针和一个int值。 - Pete Becker

@hAcKnRoCk，所以我假设你已经验证过了？仅包含<iostream>就需要创建std::cout、std::cin和std::cerr的实例。 - πάντα ῥεῖ

Answer 1

不了解特定编译器及其选项，很难给出明确的答案。但是对于调用 push_back 的程序，它将为创建的列表元素分配一个节点，该节点将具有两个指针（一个用于下一个节点，另一个用于前一个节点），以及存储值的 int。要获取这些部分的详细信息，请运行此程序：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << sizeof(int*) << ", " << sizeof(unsigned char) << '\n';
    return 0;
}

那会告诉你指针有多大，以及int有多大。

- Pete Becker

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编译器是 gcc version 4.9.2 20150212 (Red Hat 4.9.2-6) (GCC)。我使用以下命令进行编译：g++ -std=c++11 -g indepth.cpp -o indepth。 - hAcKnRoCk

明白了。所以，指针的大小是8字节。因此，2个指针 = 16字节 + 8字节无符号字符（即整数类型）。因此，总共是24字节。 - hAcKnRoCk

@hAcKnRoCk - 哎呀，抱歉，我的回答中应该用“unsigned char”代替“int”。这是我疏忽了。一个unsigned char可能是1个字节，但节点大小可能已经被舍入为8的倍数。 - Pete Becker

是的，Pete，你的答案还是帮了我。我明白了。在你的片段中，我将int编辑为unsigned char。 - hAcKnRoCk

如果我将 std::list<int> 替换为 std::list<string> 并推入单个字符，则会分配 55 字节。现在，我想知道这 39 字节来自哪里。 - hAcKnRoCk

@hAcKnRoCk 不能确定，但如果我要为字符串的内部缓冲区分配存储空间，我不会逐个字符地进行。我会分配一个合理大小的块来减少重新分配的频率。40字节对我来说听起来很合理。 - user4581301

Answer 2

每个元素在std::list中的确切大小取决于STL实现，但通常它被实现为双向链表，这意味着每个节点（代表元素）至少需要3个数据成员（前一个节点，后一个节点来实现双向链接列表以及数据）。

在gcc实现中，文件std_list.h类_List_node包含此节点的定义。2个指针（32位系统中为2 * 4字节或64位系统中为2 * 8字节）加上sizeof(data)。

除此之外，列表可能还必须维护一些其他内部信息，例如大小（自C++11起，标准要求std::list::size()是O(1)）。

注释：

STL实现=标准库实现（随编译器提供或配置为由编译器使用的C++标准库的实现）

- 在gcc的情况下是libstdc++ - 在clang的情况下可以是libc++（clang实现）或libstdc++（gcc实现） - 在VC++的情况下，是由Dinkumware提供的内部实现。

还有其他STL实现，例如STLPort等...这些细节取决于实现。确保的唯一方法是查看STL实现的特定版本的代码，而确切的大小随时可能会更改。

- NetVipeC

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非常好的回答。您能否编辑一下，更详细地解释一下“std::list中每个元素的确切大小取决于STL实现”的原因？为什么？您是指每个元素的确切大小还是指类型？ - hAcKnRoCk

Answer 3

请帮我理解为什么在这里分配了24个字节。

这些细节是与实现相关的，因此确定的答案在您的编译器和标准库的源代码或文档中。内存使用在另一个实现中可能会有所不同。

但是，可以根据双向链表的简单实现做出合理的猜测：通常无法在编译时知道节点数，因此它们可能需要动态分配。节点应具有指向下一个和上一个节点以及存储的数据的指针。那就是1个int和2个指针。在特定的体系结构中，指针的大小很可能是8个字节。int通常也适合于8个字节，但即使它更小，节点也必须填充到最近的8字节边界，以满足指针的对齐要求。这使得这个想象中的简单实现需要24个字节。您的标准库使用的真实实现可能类似。

- eerorika

Answer 4

std::list容器是一个链表，因此它分配包含不仅您的元素，还有两个指针的节点：一个指向下一个节点，一个指向前一个节点。

如果您想要一个更节省内存的容器，请考虑使用std::vector并使用std::vector::reserve函数预先分配内存。

- Guillaume Racicot

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向量在大多数情况下更加节省内存和时间。链表本质上是一种分散的结构，会导致缓存未命中和基于预测的优化的可怕损失。详情请阅读这里：https://isocpp.org/blog/2014/06/stroustrup-lists - user4581301