構造体のメンバーは常に連続したメモリを占有するのでしょうか? C/C でのパディングとメモリ レイアウトの探索

構造体のメンバーのメモリは連続していますか?構造体レイアウトの探索

C/C プログラミング環境で、次の例のような構造体を定義すると、

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

メモリ内のメンバーの配置に関する疑問が生じます。 A.height、A.age、A.gender などの構造体インスタンスの個々のフィールドは隣接して保存されていますか?

構造体のパディングとメモリの連続性

残念ながら、パディングと呼ばれる概念により、構造体のメンバーに連続したメモリ割り当てが行われるという仮定は、普遍的に当てはまりません。これは、特定のハードウェア アーキテクチャでのパフォーマンスを向上させるために、データ要素を特定の境界に揃える最適化手法です。メンバー間に「未使用」のメモリ スロットが生じる可能性があります。

指定された例では、通常、double は 8 バイト、int は 4 バイト、char は 1 バイトを占有します。パディングなしの場合、構造体は 13 バイトを占有する必要があります。ただし、ハードウェア アーキテクチャで 8 バイトのアライメントが必要な場合は、そのアライメントに到達するために char の後に 3 バイトのパディングが必要になります。これは、A.age にアクセスすると、これら 3 つのパディング バイトがスキップされることを意味します。

配列の構造体と構造体の配列

単一の構造体内のメモリの連続性を超えて、配列構造 (SoA) と構造配列 (AoS) を区別すると、異なるメモリ レイアウトが提供されます。

配列構造 (SoA)

SoA では、要素が同じ種類のものが連続して格納されます。たとえば、すべての身長が連続したブロックに保存され、次にすべての年齢、次に性別が続きます。これにより、ベクトル化された操作が最適化され、AoS と比較してメモリ使用量が削減されます。

構造体の配列 (AoS)

AoS では、各構造体は連続したブロックとして保存されます。このアプローチでは、特定の構造体のメンバーがグループ化されるため、可読性とキャッシュの局所性が向上します。ただし、特定のメンバー型に対するパディングが増加し、操作の効率が低下する可能性があります。

メモリ レイアウトのグラフィックスと図解

[SoA とAoS メモリ レイアウト]

考慮すべき要素

SoA と AoS のどちらを選択するかは、アプリケーションの特定の要件によって異なります。 SoA は特定のメンバー タイプの操作ではより効率的である可能性があり、AoS は可読性とキャッシュの局所性を強化できます。

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