C++中的sizeof计算类大小时要注意什么?(内存对齐、虚函数表指针及空类大小)

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空类 sizeof 为 1 是为保证对象唯一地址;含虚函数则加 vptr(x64 下 8 字节);内存对齐和 EBO 进一步影响大小,三者叠加使结果需实测验证。

C++中的sizeof计算类大小时要注意什么?(内存对齐、虚函数表指针及空类大小)

sizeof 计算类大小时,空类为什么不是 0 字节

空类(如 Struct Empty {};)的 sizeof 结果是 1,不是 0。这是为了保证不同对象有唯一地址——如果允许大小为 0,那么多个空类对象可能被分配到同一地址,违反 c++ 对象模型中“每个对象必须有唯一地址”的要求。

  • 即使继承链里全是空基类,编译器也可能只插入一个 1 字节占位(取决于是否启用空基优化 EBO)
  • class A {}; class B : A {}; sizeof(B) 通常是 1,不是 2(EBO 生效)
  • 但若禁用 EBO(如某些调试模式或特定编译器选项),可能叠加

含虚函数的类会额外增加虚表指针(vptr)

只要类中声明了虚函数(包括虚析构函数),编译器就会在对象开头(或末尾,取决于 ABI)插入一个指向虚函数表(vtable)的指针。这个指针大小取决于平台:x86 是 4 字节,x64 是 8 字节。

  • struct Base { virtual ~Base() = default; };sizeof(Base) 在 x64 下通常是 8
  • 派生类未新增成员变量,但继承了虚函数,仍需 vptr:`struct D : Base {}; sizeof(D)` 也是 8
  • vptr 不参与内存对齐计算,它本身是对象布局的一部分,对齐由后续成员决定

内存对齐如何影响 sizeof 结果?

类的 sizeof 不只是成员大小之和,还受最大对齐要求(alignof)约束:编译器会在成员之间或末尾填充字节,使整个对象大小是其最大成员对齐值的整数倍。

struct S {     char a;     // offset 0     int b;      // offset 4(跳过 3 字节对齐到 4)     short c;    // offset 8(int 占 4 字节,short 需 2 字节对齐,8 已满足) }; // sizeof(S) == 12,因为 max alignof is 4,12 % 4 == 0
  • 使用 alignas 可显式提升对齐要求,直接拉高 sizeof:`struct alignas(16) X { char c; };` → sizeof(X)16
  • 位域(bit-field)不改变对齐,但会影响填充位置和可读性,sizeof 仍按底层整型对齐
  • 成员顺序很重要:把大对齐成员放前面,通常能减少总填充(例如把 doublechar 前面)

多重继承下虚表指针和偏移可能不止一个

当类从多个带虚函数的基类继承时,某些 ABI(如 Itanium C++ ABI)要求为每个虚基类或非首基类提供独立的 vptr,导致对象尺寸增大、布局更复杂。

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struct A { virtual void f(); }; struct B { virtual void g(); }; struct C : A, B { }; // 在 GCC/Clang x64 下,sizeof(C) 通常是 16:                       // [vptr_A][vptr_B](各 8 字节)
  • 若其中一个基类是虚继承(struct C : virtual A, B;),则还会引入虚基表指针(vbptr)和偏移字段,进一步增加大小
  • 这种布局不可移植:MSVC 和 GCC 对多重虚继承的实现差异较大,sizeof 结果可能不同
  • 避免依赖具体大小;如需精确控制,用 static_assert(sizeof(T) == N) 并配合 #pragma packalignas 显式约束

实际写代码时,最容易忽略的是:**虚函数和对齐是叠加生效的,而空类占位又可能被 EBO 抵消**——这三者混在一起,sizeof 就很难靠直觉判断。建议用 offsetofalignof 辅助验证,而不是只看成员列表。

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