c# - C#中 bool 值的大小是多少？它真的需要 4 个字节吗？

Question

我有两个包含字节数组和 bool 值的结构:

using System.Runtime.InteropServices;

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
struct struct1
{
    [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 3)]
    public byte[] values;
}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 4)]
struct struct2
{
    [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 3)]
    public bool[] values;
}

以及以下代码:

class main
{
    public static void Main()
    {
        Console.WriteLine("sizeof array of bytes: "+Marshal.SizeOf(typeof(struct1)));
        Console.WriteLine("sizeof array of bools: " + Marshal.SizeOf(typeof(struct2)));
        Console.ReadKey();
    }
}

这给了我以下输出:

sizeof array of bytes: 3
sizeof array of bools: 12

似乎boolean 需要4 个字节的存储空间。理想情况下，boolean 只占用一位(false 或 true、0 或 1 等..)。

这里发生了什么？ boolean 类型真的这么低效吗？

Answer 1

bool 类型有一段曲折的历史，在语言运行时之间有许多不兼容的选择。这始于丹尼斯·里奇 (Dennis Ritchie) 做出的历史性设计选择，他是 C 语言的发明者。它没有 bool 类型，替代方案是 int，其中 0 值表示 false，任何其他值都被认为是 true .

这个选择在 Winapi 中得到了延续，这是使用 pinvoke 的主要原因，它有一个 BOOL 的类型定义，它是 C 编译器的 int 关键字的别名。如果您不应用显式 [MarshalAs] 属性，则 C# bool 将转换为 BOOL，从而生成一个 4 字节长的字段。

无论您做什么，您的结构声明都需要与以您互操作的语言做出的运行时选择相匹配。如前所述，BOOL 用于 winapi 但大多数 C++ 实现选择 byte，大多数 COM 自动化互操作使用 VARIANT_BOOL，它是一个短。

C# bool 的实际 大小是一个字节。 CLR 的一个强大的设计目标是您无法找到。 Layout是一个实现细节，太依赖处理器了。处理器对变量类型和对齐非常挑剔，错误的选择会显着影响性能并导致运行时错误。通过使布局不可发现，.NET 可以提供不依赖于实际运行时实现的通用类型系统。

换句话说，您总是必须在运行时编码一个结构来确定布局。那时从内部布局转换为互操作布局。如果布局相同，这可能会非常快，但当需要重新排列字段时会很慢，因为这总是需要创建结构的副本。这方面的技术术语是blittable，将 blittable 结构传递给 native 代码速度很快，因为 pinvoke 编码器可以简单地传递一个指针。

性能也是 bool 不是一个位的核心原因。很少有处理器可以直接寻址位，最小单位是字节。需要一个额外的 指令来从字节中提取位，这不是免费的。而且它永远不是原子的。

C# 编译器不会羞于告诉您它占用 1 个字节，请使用 sizeof(bool)。这仍然不是一个字段在运行时占用多少字节的理想预测器，CLR 还需要实现 .NET 内存模型，并且它 promise 简单的变量更新是原子。这需要变量在内存中正确对齐，以便处理器可以使用单个内存总线周期更新它。因此，bool 通常需要 4 或 8 个字节的内存。添加的额外填充以确保下一个成员正确对齐。

CLR 实际上利用了布局不可发现的优势，它可以优化类的布局并重新安排字段以使填充最小化。所以，比如说，如果你有一个带有 bool + int + bool 成员的类，那么它将占用 1 + (3) + 4 + 1 + (3) 字节的内存，(3) 是填充，总共 12字节。 50% 浪费。自动布局重新排列为 1 + 1 + (2) + 4 = 8 字节。只有类有自动布局，结构默认有顺序布局。

更糟糕的是，在使用支持 AVX 指令集的现代 C++ 编译器编译的 C++ 程序中，bool 可能需要多达 32 个字节。这强加了 32 字节的对齐要求，bool 变量可能以 31 字节的填充结束。这也是 .NET 抖动不发出 SIMD 指令的核心原因，除非明确包装，否则无法获得对齐保证。