詳解C++中類的大小決定因數(shù)

更新時(shí)間：2025年04月07日 10:34:28 作者：點(diǎn)云SLAM

類的大小受多個(gè)因素影響,主要包括成員變量、對(duì)齊方式、繼承關(guān)系、虛函數(shù)表等,下面就來(lái)介紹一下,具有一定的參考價(jià)值,感興趣的可以了解一下

1. 非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員

類的大小主要取決于其非靜態(tài)成員變量的大小。

靜態(tài)成員變量不影響類的大?。ù鎯?chǔ)在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)）。
非靜態(tài)成員變量占用對(duì)象的存儲(chǔ)空間。

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

由于結(jié)構(gòu)體對(duì)齊（Padding），sizeof(A) 可能是 8，而不是 5（見對(duì)齊規(guī)則）。

2. 數(shù)據(jù)對(duì)齊（Padding）

編譯器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，以提高 CPU 訪問(wèn)效率。

變量的地址需要符合其對(duì)齊要求（如 int 需要 4 字節(jié)對(duì)齊）。
可能會(huì)在成員之間填充字節(jié)（padding）。

示例：

class B {
    char a;   // 1 byte
    int b;    // 4 bytes, 但需要 4 字節(jié)對(duì)齊
    char c;   // 1 byte
};

char a 占 1 字節(jié)，但后面填充 3 字節(jié)（以滿足 int b 的對(duì)齊）。
int b 占 4 字節(jié)。
char c 占 1 字節(jié)，但后面填充 3 字節(jié)（類的大小需要是 int 的倍數(shù)）。
總大小 = 1 + 3 (填充) + 4 + 1 + 3 (填充) = 12 字節(jié)。

可以使用 #pragma pack(1) 強(qiáng)制取消對(duì)齊，但可能會(huì)影響性能：

#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. 虛函數(shù)（vtable 指針）

如果類包含虛函數(shù)，則對(duì)象會(huì)存儲(chǔ)一個(gè)指向虛函數(shù)表（vtable）的指針。

該指針通常占 8 字節(jié)（64 位系統(tǒng)）或 4 字節(jié)（32 位系統(tǒng)）。
即使沒有成員變量，類也會(huì)占用指針大小的空間。

示例：

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

僅包含虛函數(shù)的類，仍然占用 vtable 指針的大小。

如果是多重繼承且基類有虛函數(shù)，每個(gè)基類都有自己的 vtable 指針：

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

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

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

Derived 類有兩個(gè) vtable 指針，每個(gè)占 8 字節(jié)（64 位系統(tǒng)）。

4. 繼承

單繼承：子類包含父類的成員，并可能繼承 vtable 指針。
多繼承：可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè) vtable 指針，增加對(duì)象大小。
虛繼承：由于需要額外存儲(chǔ) 虛基類指針（vbptr），可能增大對(duì)象大小。

普通繼承

class Base {
    int a;
};

class Derived : public Base {
    char b;
};
std::cout << sizeof(Derived) << std::endl; // 8（對(duì)齊后）

虛繼承

虛繼承需要維護(hù) 虛基類表指針（vbptr），導(dǎo)致額外的存儲(chǔ)開銷：

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; // 額外增加 vbptr

Final 可能比普通繼承的大小更大，因?yàn)?nbsp;vbptr 需要額外存儲(chǔ)虛基類地址。

5. 空類

空類在 C++ 里不是零大小，通常是 1 字節(jié)，以保證兩個(gè)對(duì)象的地址不同：

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

即使類為空，C++ 也會(huì)給它分配 1 字節(jié)，以確保不同對(duì)象有唯一地址。

如果空類有虛函數(shù)，它仍然包含 vtable 指針：

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

6. 位域（Bit Fields）

位域允許多個(gè)變量共享同一個(gè)字節(jié)，減少存儲(chǔ)空間：

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（存儲(chǔ)在一個(gè) int 中）

位域大小取決于其基礎(chǔ)類型（如 int），如果跨越邊界，可能導(dǎo)致額外填充。

7. 編譯器優(yōu)化

不同編譯器可能優(yōu)化類的布局，如：

調(diào)整成員變量順序，減少填充字節(jié)。
自動(dòng)合并位域，提高空間利用率。

可以用 -Wpadded（GCC/Clang）檢查填充：

g++ -Wpadded myfile.cpp

總結(jié)

影響因素	影響
非靜態(tài)成員	直接影響類大小
數(shù)據(jù)對(duì)齊	可能增加填充字節(jié)
虛函數(shù)	增加 vtable 指針（通常 8 字節(jié)）
繼承	繼承成員、vtable，可能增加 vbptr
空類	不是 0，而是 1 字節(jié)
位域	可能優(yōu)化存儲(chǔ)，但依賴對(duì)齊
編譯器優(yōu)化	可能調(diào)整成員順序