C++ 内存布局与对齐

声明、定义与链接（卷 I 3.3.4）

• 编译器一次只处理一个翻译单元，遇到外部引用时只能“相信它存在”。链接器负责解析这些引用，只会报两类错：符号未解析 (unresolved symbol) 和符号重复定义 (multiply defined symbol)。
• 声明只描述名字和类型，定义则对应一块唯一的内存（变量、实例或函数机器码）。一个实体可以有多次相同的声明，但只能有一个定义。
• 头文件中一般不放定义，否则被多个 .cpp 包含时会重复定义。例外是内联函数和模板：编译器必须看到函数体才能内联或实例化，所以它们的定义必须放在头文件里。inline 只是给编译器的提示，最终由编译器决定；__forceinline 之类的关键字可以绕过它的判断。
• 链接性 (linkage)：默认是外部链接；static 把定义改为内部链接，不同 .cpp 中同名的 static 实体互不冲突。GEA 进一步说“内联函数默认为内部链接（如同 static），这才是它们可以放在头文件里的真正原因”（卷 I 3.3.4.3）。

  原书问题：按 C++ 标准，非 static 的 inline 函数具有外部链接；它能放进头文件被多个翻译单元包含，是因为单一定义规则 (ODR) 允许 inline 函数在每个翻译单元各有一份完全相同的定义，链接器会把它们合并为一个实体（因此各处取到的函数地址相同）。只有加了 static 或放在匿名命名空间里的函数才是内部链接。两种说法在“不会报重复定义”这一结论上一致，机制不同。书中另说声明“可以粗略看作”内部链接，严格讲声明本身没有链接属性。

可执行映像与运行时内存（卷 I 3.3.5）

函数内的 static 变量在第一次调用时初始化，但在映像中和文件级静态变量一样，放在 data 或 BSS 段。返回局部变量的地址是常见错误：栈帧被抛弃后，那块内存很快会被后续调用覆盖。static 有三种含义：文件作用域下表示内部链接；函数作用域下表示只在函数内可见的全局变量；类中表示按类而非按实例存储的成员，其存储空间必须在某个 .cpp 中单独定义（卷 I 3.3.6.1）。

对齐与填充（卷 I 3.3.7.1）

每种类型都有自然对齐，一般等于它的字节宽度：32 位值按 4 字节对齐，16 位按 2 字节对齐，8 位不限，四元 float 的 SIMD 向量按 16 字节对齐。读取非对齐数据时，内存控制器要读两个块，再掩码、移位、合并；有些处理器则直接返回垃圾或崩溃（例如 PS2）。

因此编译器会在成员之间插入填充。书中的例子是：把 U32, F32, U8, I32, bool, char* 重新排成先大后小，可以消除中间的空洞。但结构体仍会被补到 20 字节而不是 18 字节，这样它在数组中每个元素都能对齐。结构体整体的对齐等于其成员中最大的对齐要求。 作者习惯在末尾写出显式填充 U8 _pad[2]，让浪费的空间一目了然。#pragma pack 可以要求编译器不填充，但默认会填充。

下图示意重新排序前后（32 位指针）的布局差异：

flowchart TB
  subgraph A["InefficientPacking：成员交错，产生多处空洞"]
    a1["mU1 (4)"] --> a2["mF2 (4)"] --> a3["mB3 (1) + 填充 3"] --> a4["mI4 (4)"] --> a5["mB5 (1) + 填充 3"] --> a6["mP6 (4)"]
  end
  subgraph B["MoreEfficientPacking：小成员集中放在末尾"]
    b1["mU1 (4)"] --> b2["mF2 (4)"] --> b3["mI4 (4)"] --> b4["mP6 (4)"] --> b5["mB3 (1) + mB5 (1) + 末尾填充 2 = 20 字节"]
  end

后一种排法只在末尾留下 2 字节填充，用来保证数组中每个元素都对齐。

C++ 类的布局（卷 I 3.3.7.2）

• 继承：派生类的成员紧跟在基类成员后面（中间可能有对齐填充）。多重继承可能让派生类包含同一个基类的多份副本（致命菱形，可用虚继承避免），指针转换到不同基类时地址可能改变，因为对象里有多个 vtable 指针。
• 虚函数：只要类声明或继承了虚函数，就会多出一个 4 或 8 字节的 vpointer，通常放在开头，指向该具体类的 vtable，即全部虚函数的指针表。调用 pShape->Draw() 时，先解引用 vpointer，再查表调用：Circle 的表指向 Circle::Draw，Triangle 的表指向 Triangle::Draw。纯虚函数在基类中没有实现，派生类必须覆盖才能实例化。

面向对象回顾（卷 I 3.1.1）

封装、继承（is-a）、多态（用虚函数代替遍布代码的 switch）、组合与聚合（has-a / uses-a）。书中的告诫是：新手往往过度使用继承、过少使用组合，例如让 Window 继承 Rectangle 是错的，应该让它包含一个 Rectangle。多重继承在实践中容易造成混乱，常见规则是只允许没有父类的简单 mix-in 类被多重继承。

与其他页面的关系

GPP 的 数据局部性 和 组件模式 也主张组合优于继承、按访问方式安排数据，与 GEA 在这里的建议一致。对齐和缓存行的关系见 计算机硬件与内存层次。

PBRT 的视角：用标签指针代替虚函数（PBRT 4e 1.3、1.5.7）

pbrt 前三版用抽象基类加纯虚函数；第 4 版为了支持 GPU，除积分器外的多态类型都改为基于标签的分派 (tag-based dispatch)：TaggedPointer 给每种具体类型分配一个整数标签，在运行时据此分派。两条理由：

1. 内存：每个带虚函数的对象多一个 vtable 指针（现代系统上 8 字节，与上文 GEA 所说的 vpointer 一致），渲染复杂场景时，仅形状和图元的 vtable 指针就占了相当多内存；标签指针没有额外的类型存储开销。
2. CPU/GPU 共用：vtable 里存的是函数地址，而 CPU 与 GPU 的可执行代码在不同地址，同一张表不可能同时对两边有效。 调用方写法不变，只是用 . 而不是 ->。实现见 PBRT 附录 B.4.4，第一个使用它的类是 Spectrum（见 光谱渲染）。