一个“简单”的C++问题

作为一个没有正经用 C++ 写过项目的码农，在面试到 C++ 候选人时，尽管心虚，但我也只能鼓起勇气，假装自己很熟 C++ 。

不过每当在简历上看到说自己 “精通” C++ 的时候，还是免不了心里呵呵一下，然后想起早年百度 C++ 规范的开头那句话：

不要使用 C++ 。

毕竟有个我觉得挺基础的 C++ 问题，能正经答出来的人，真的不多。

= 题面 =

题目从一个简单的 struct 开始：

struct X {  int a;  char b;};

问：可以编译、运行如下代码么？

struct X *p = NULL;p++;

思考一下？

= 回答 =

在犹豫一会以后，绝大部分人的回答是：

“可以编译，但不能正常运行”。

进一步询问为什么不能正常运行时，给出的理由大概意思是，空指针是无效的（或者说，没有指向可以修改的内存空间），所以不能修改。

如果你也是这么觉得的，可以再思考一下。

= 解析 =

题面确实有一些令人迷惑，所以很多人思考后仍然给出了上述回答。

他们的问题是，混淆了【指针的值】和【指针指向的对象】。

p 的值是 NULL ，确实指向了一个无效的对象，但是在 "p++" 这个操作中，我们修改的并不是其指向的对象，而是 p 指针本身。

本质上讲，（在常见的CPU架构，如 x86/x86-64/arm 等）指针等价于一个 long 类型，对指针的值进行操作，只是修改了指针指向的对象。

= 再问 =

按照一贯的套路，针对这个问题我还准备了追问：

“执行完后，p 的值预计是多少？”

不过鉴于大部分人都认为前述代码无法正确执行，所以往往只能这么问：

“用 sizeof(struct X) 求 X 的大小，预计可以得到多少？”

因为在 C/C++ 里，对一个指针的自增操作（即++操作符），其含义是将指针指向内存中连续的下一个对象。

这其实是个很开放的问题，除了少部分奇怪的回答之外，大部分人的回答都可以是正确的。

但重要的是为什么是正确的。

比如有些人的回答是 5，因为 int 占用 4 个字节， char 占用 1 个字节。

这当然可以没错 —— 只不过默认情况下，大部分编译器的行为并非如此。

= 再解析 =

例如下图，用 gcc -S 处理左边的 C 代码，生成对应的汇编：

可以看出，生成的机器码，是给 p 加上 8，而不是 5。

注：给不熟悉 gcc 汇编的同学解释一下

• rbp 是栈寄存器，%rbp 是栈顶地址

• -16(%rbp) 表示 p 存在栈顶 -16 个字节的位置

• rcx 是 64 bit 寄存器（相对于 x86 的 cx 寄存器，32位）

• $8 是常量 8

• 右边红框的意思是，将 p 的值从“栈顶-16”内存中拷贝到 rcx 寄存器中，+8，然后再写回内存。

前面说“可以没错”，是因为我们可以用 pragma 预处理指令改变编译器的行为：

可以看到，生成的汇编代码里， $8 变成了 $5 。

实际上这里还可能出现一些其他的答案，比如在 16 bit CPU 下，int 占用2个字节，或者你也可以用 pragma pack(2) 试试看。

所以重要的是为什么。

= 还问 =

编译器默认 8 字节的行为被称为“alignment”（内存对齐），很多人在给出这个答案的同时，也会顺口说到这个概念。

于是我可以继续问，内存对齐的意义是什么？

但是显然大多数人都还给老师了……

简而言之，这又是一个空间换时间的 case —— 在常见的 x86 架构下，从奇数地址读取一个 int 数据，会需要读取两次内存，并且将两次读取的数据拼起来，这显然会降低执行效率。

也许有的同学会觉得，即使知道这个概念，好像也没什么用，就像屠龙之术。

其实这就像《踩坑记：go服务内存暴涨》里面提到的内存管理知识一样，看起来好像大部分情况用不到，但真的遇到相关问题时，就会束手无策。

比如像 arm、ppc 这类 CPU 架构，其部署环境往往内存较少（有时会需要用 KB 作为单位），程序员会希望通过减少内存对齐来降低内存消耗；但需要注意的是，其不支持直接读写奇数地址，即使强制生成完全不对齐代码，执行往往会出错。

再比如，通过合理安排 struct 中成员的位置，也可以显著降低对内存的消耗。

例如 X、Y 这样两个 struct，包含相同的成员变量，但只是简单兑换一下 b、c 的位置，就可以节省 25% 的内存占用：

注：Y、Z 分别需要占用 16、12 字节

想想看，为什么 Z 不是只占用 10 个字节？

= 不问了不问了 =

最后得承认，这篇有点标题党了，实际上这是一个 C 问题，并不是 C++ 问题。

不过对于熟悉 C++ 的同学，没能正确回答这个问题实在让我有点意外，可能是我又陷入了知识的诅咒了（知道一个知识以后、就很难再想象不知道它的情况）。

你们怎么看这个题目呢？欢迎留言讨论。

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