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【转载】有趣的问题:空结构体的内存空间占用问题

C/C++ leilei 1607℃ 0评论
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今天有一个网友问了我关于空结构体占用空间的问题。对于空结构体占用空间的问题,这个一早就知道,所以开始没有在意,直接就回答了。但是后来网友的提问下,还是发现一些有趣的事情。下面就来说说这个事情。
他的问题如下:
#include <stdio.h>

typedef struct empty {
} empty_t;

int main()
{
    empty_t a, b;

    printf("a address is 0x%X\n", &a);
    printf("b address is 0x%X\n", &b);

    if (&a == &b) {
        printf("address is equal\n");
    }
    else {
        printf("address is not equal\n");
    }
    
    return 0;
}
他当时问我,输出是相等还是不相等。我直接说不等,因为了解空结构体的问题。对于空结构体来说,尽管看上去它没有包含任何的成员变量,似乎占用空间应该为0。但是像上面的代码中定义empty_t a, b,如果empty_t占用0字节的话,那么a和b就会使用同一地址。这样的话,就会有冲突。所以对于空结构体来说,其大小一般为1字节或者4字节。——注意,这是我以前所知。所以,我就毫不犹疑的告诉他,输出为“not equal”。
他告诉我结果是“not equal”,但是为什么前面输出的&a和&b的地址却是相等的,但是后面却是”not equal”呢?这一下勾起了我的兴趣,我又让他打印sizeof看看。结果他告诉我,linux上是0,windows上是1。现在看这个问题,是不是有点意思了啊?
我决定自己调试一下,先看了一下输出,确实如他所述
  1. [xxx@xxx-vm-fc13 test]$ ./a.out
  2. a address is 0xBFE20B10, size is 0
  3. b address is 0xBFE20B10, size is 0
  4. address is not equal
输出地址相同,size为0,但是后面却输出address is not equal。那么调试一下看看吧。
  1. (gdb) p &a
  2. $1 = (empty_t *) 0xbffff620
  3. (gdb) p &b
  4. $2 = (empty_t *) 0xbffff620
  5. (gdb) p sizeof(a)
  6. $3 = 0
  7. (gdb) p sizeof(b)
  8. $4 = 0
  9. (gdb) p &a==&b
  10. $5 = 1
前面的输出值都是跟程序输出的结果一样,但是在gdb中打印&a==&b,结果却是1,与程序输出结果不符。
看到这里,我大概就知道怎么回事了,于是使用反汇编来确定自己的想法。
  1. 1 (gdb) disassemble main
  2. 2 Dump of assembler code for function main:
  3. 3 0x080483f4 <+0>: push %ebp
  4. 4 0x080483f5 <+1>: mov %esp,%ebp
  5. 5 0x080483f7 <+3>: and $0xfffffff0,%esp
  6. 6 0x080483fa <+6>: sub $0x10,%esp
  7. 7 0x080483fd <+9>: mov $0x8048514,%eax
  8. 8 0x08048402 <+14>: movl $0x0,0x8(%esp)
  9. 9 0x0804840a <+22>: lea 0x10(%esp),%edx
  10. 10 0x0804840e <+26>: mov %edx,0x4(%esp)
  11. 11 0x08048412 <+30>: mov %eax,(%esp)
  12. 12 0x08048415 <+33>: call 0x8048314 <printf@plt>
  13. 13 0x0804841a <+38>: mov $0x8048534,%eax
  14. 14 0x0804841f <+43>: movl $0x0,0x8(%esp)
  15. 15 0x08048427 <+51>: lea 0x10(%esp),%edx
  16. 16 0x0804842b <+55>: mov %edx,0x4(%esp)
  17. 17 0x0804842f <+59>: mov %eax,(%esp)
  18. 18 0x08048432 <+62>: call 0x8048314 <printf@plt>
  19. 19 0x08048437 <+67>: nop
  20. 20 0x08048438 <+68>: movl $0x8048553,(%esp)
  21. 21 0x0804843f <+75>: call 0x8048324 <puts@plt>
  22. 22 0x08048444 <+80>: leave
  23. 23 0x08048445 <+81>: ret
  24. 24 End of assembler dump.
第8行是把sizeof(a)的结果0,赋给0x8(%esp),第9行是取0x10(%esp)的地址,赋给%edx。
第14行和第15行与之类似。所以无论是程序的输出还是gdb调试时候的打印结果,都表明a和b的地址相同,且sizeof都为0.
第20行 movl $0x8048553,(%esp) 是这个问题的关键,这里没有任何的条件判断,也就是说gcc对代码进行了优化,它认为&a == &b为一个常量值,那么这个后面的条件语句已经是可以通过编译知道结果的。所以直接选择后面的语句执行,而去掉了条件判断。
那么让我们看看这个地址0x8048553是什么的地址吧。
  1. (gdb) x /s 0x8048553
  2. 0x8048553 <__dso_handle+67>: “address is not equal”
真相已经出来了。
下面总结一下:
1. 对于空结构体来说,linux与windows不同,空结构体的size确实当作0字节。——刚刚在windows验证了(VS2008),空结构体的size为1(但是我想肯定可以通过编译选项,将其对齐为4。不过我非windows程序员,就不研究这个了);
2. 对于这个问题,gcc在编译阶段进行了优化。对于空结构体来说,即使gcc把它的size作为0处理,但是定义两个两个变量时,仍然认为这两个变量的地址不同。——说实话,我觉得这一点处理上有些矛盾,不知道算不算gcc的bug呢;
3. 调试过程中,gdb是真正的去取a和b的地址,所以在gdb中&a==&b的值为1;
4. 对于这种有意思的代码行为,还是自己去调试一下,才能有收获。最好是可以在各个平台试验一下。
5. 在回答别人的问题时,对自己也是一种提高。因为每个人的思考方法是不同的,总会得到一些新东西,或者加深自己对问题的理解。

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(1)个小伙伴在吐槽
  1. 这个确实得看调试平台 🙂
    风继续吹2015-03-08 16:31 回复