详解C++中类的大小决定因数_C/C++

在 c++ 中，类的大小（sizeof(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
    char 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

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，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

影响因素	影响
非静态成员	直接影响类大小
数据对齐	可能增加填充字节
虚函数	增加 vtable 指针（通常 8 字节）
继承	继承成员、vtable，可能增加 vbptr
空类	不是 0，而是 1 字节
位域	可能优化存储，但依赖对齐
编译器优化	可能调整成员顺序