详解C++中类的大小决定因数

目录

• 1. 非静态数据成员
• 示例：
• 2. 数据对齐（Padding）
• 示例：
• 3. 虚函数（vtable 指针）
• 示例：
• 4. 继承
• 普通继承
• 虚继承
• 5. 空类
• 6. 位域（Bit Fields）
• 7. 编译器优化
• 总结

在 C++ 中，类的大小（http://www.devze.comsizeof(ClassName)）受多个因素影响，主要包括成员变量、对齐方式、继承关系、虚函数表等。以下是影响类大小的关键因素：

1. 非静态数据成员

类的大小主要取决于其非静态成员变量的大小。

• 静态成员变量 不影响 类的大小（存储在全局数据区）。
• 非静态成员变量 占用对象的存储空间。

示例：

class A {
    int x;   // 4 bytes
    c编程客栈har y;  // 1 byte (可能有填充)
};
std::cout << sizeof(A) << std::endl; // 可能是 8，而不是 5

由于结构体对齐（Padding），sizeof(A) 可能是 8，而不是 5（见对齐规则）。

2. 数据对齐（Padding）

编译器会对数据进行内存对齐，以提高 CPU 访问效率。

• 变量的地址需要符合其对齐要求（如 int 需要 4 字节对齐）。
• 可能会在成员之间填充字节（padding）。

示例：

class B {
    char a;   // 1 byte
    int b;    // 4 bytes, 但需要 4 字节对齐
    char c;   // 1 byte
};

• char a 占 1 字节，但后面填充 3 字节（以满足 int b 的对齐）。
• int b 占 4 字节。
• char c 占 1 字节，但后面填充 3 字节（类的大小需要是 int 的倍数）。
• 总大小 = 1 + 3 (填充) + 4 + 1 + 3 (填充) = 12 字节。

可以使用 #pragma pack(1) 强制取消对齐，但可能会影响性能：

#pragma pack(1) 
class C {
    char a;
    int b;
    char c;
};
#pragma pack()
std::cout << sizeof(C) << std::endl; // 可能是 6 而不是 12

3. 虚函数（vtable 指针）

如果类包含虚函数，则对象会存储一个指向虚函数表（vtable）的指针。

• 该指针通常占 8 字节（64 位系统）或 4 字节（32 位系统）。
• 即使没有成员变量，类也会占用指针大小的空间。

示例：

class D {
    virtual void func() {}
};
std::cout << sizeof(D) << std::endl; // 8（64 位系统），4（32 位系统）

仅包含虚函数的类，仍然占用 vtable 指针的大小。

如果是多重继承且基类有虚函数，每个基类都有自己的 vtable 指针：

class Base1 {
    virtual void foo() {}
};

class Base2 {
    virtual void bar() {}
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
};
std::cout << sizeof(Derived) << std::endl; // 16（64 位系统），8（32 位系统）

Derived 类有两个 vtable 指针，每个占 8 字节（64 位系统）。

4. 继承

• 单继承：子类包含父类的成员，并可能继承 vtable 指针。
• 多继承：可能会导致多个 vtable 指针，增加对象大小。
• 虚继承：由于需要额外存编程客栈储 虚基类指针（vbptr），可能增大对象大小。

普通继承

class Base {
    int a;
};

class Derived : public Base {
    char b;
};
std::cout << sizeof(Derived) << std::endl; // 8（对齐后）

虚继承

虚继承需要维护 虚基类表指针（vbptr），导致额外的存储开销：

class Base {
    int a;
};

class Derived1 : virtual public Base {};
class Derived2 : virtual public Base {};

class Final : public Derived1, public Derived2 {};
std::cout << sizeof(Final) << std::endl; // 额外增加 vbptr
php

Final 可能比普通继承的大小更大，因为 vbptr 需要额外存储虚基类地址。

5. 空类

空类在 C++ 里不是零大小，通常是 1 字节，python以保证两个对象的地址不同：

class Empty {};
std::cout << sizeof(Empty) << std::endl; // 1

即使类为空，C++ 也会给它分配 1 字节，以确保不同对象有唯一地址。

如果空类有虚函数，它仍然包含 vtable 指针：

class EmptyVirtual {
    virtual void func() {}
};
std::cout << sizeof(EmptyVirtual) << std::endl; // 8（64 位系统）

6. 位域（Bit Fields）

位域允许多个变量共享同一个字节，减少存储空间：

class BitField {
    unsigned int a : 1;  // 1 bit
    unsigned int b : 2;  // 2 bits
    unsigned int c : 3;  // 3 bits
};
std::cout << sizeof(BitField) << std::endl; // 4（存储在一个 int 中）

位域大小取决于其基础类型（如 int），如果跨越边界，可能导致额外填充。

7. 编译器优化

不同编译器可能优化类的布局，如：

• 调整成员变量顺序，减少填充字节。
• 自动合并位域，提高空间利用率。

可以用 -wpadded（GCC/Clang）检查填充：

g++ -Wpadded myfile.cpp

总结

如果你需要最小化类的大小，可以：

• 调整成员变量顺序 以减少填充字节。
• 避免不必要的虚函数（若无多态需求）。
• 使用位域 以节省空间（但可能影响性能）。
• 使用 #pragma pack 取消对齐（但可能降低访问速度）。

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