Wie wirkt sich das C/C-Strukturlayout auf Leistung und Speichereffizienz aus?

Speicherzuweisung und Strukturlayout in C/C

Beim Definieren einer Struktur in C/C, beispielsweise der „Test“-Struktur:

<code class="c">struct test
{
   double height;
   int    age;
   char   gender;
}</code>

Es ist nicht garantiert, dass die Mitglieder (A.height, A.age, A.gender) zusammenhängend im Speicher gespeichert werden. Dies ist auf ein Konzept zurückzuführen, das als Strukturauffüllung bekannt ist.

In einigen Fällen können Mitglieder jedoch zusammenhängend gespeichert werden. Wenn die Struktur beispielsweise wie folgt definiert ist:

<code class="c">struct test
{
    char   gender;
    int    age;
    double height;
}</code>

ist es wahrscheinlicher, dass die Mitglieder zusammenhängend sind. Aber auch in diesem Fall kann es sein, dass nach dem „gender“-Element Auffüllungen hinzugefügt werden, um die Struktur an einer bestimmten Grenze auszurichten.

Speicherlayout für Strukturen von Arrays und Arrays von Strukturen

Es gibt zwei gängige Datenstrukturen, die Strukturen und Arrays beinhalten: Structure of Arrays (SoA) und Array of Structures (AoS).

SoA (Structure of Arrays):

-----------------------------------------------------------------------------------
| double | double | double | *pad* | int | int | int | *pad* | char | char | char |
-----------------------------------------------------------------------------------

In SoA werden die Mitglieder der Struktur in zusammenhängenden Arrays gespeichert. Dies kann für Operationen effizienter sein, die über ein bestimmtes Mitglied in allen Strukturen iterieren.

AoS (Array of Structures):

-----------------------------------------------------------------------------------
| double | int | char | *pad* | double | int | char | *pad* | double | int | char |
-----------------------------------------------------------------------------------

In AoS jede Struktur wird als zusammenhängender Speicherblock gespeichert. Dies kann für den gemeinsamen Zugriff auf alle Mitglieder einer einzelnen Struktur vorteilhafter sein.

Kompromisse zwischen SoA und AoS:

• AoS: Möglicherweise bessere Lesbarkeit bessere Cache-Lokalität
• SoA: Potenzial für Vektorisierung, reduzierte Speichernutzung

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