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深度探索C++对象模型:类的大小

深度探索C++对象模型:类的大小

作者: 哪有岁月静好 | 来源:发表于2020-07-14 16:13 被阅读0次

    现在有这样一段代码:

    class  X  { 
    };   
    
    class  Y  :  public  virtual  X  { 
    };  
    
    class  Z  :  public  virtual  X  { 
    };  
    
    class  A  :  public  Y,  public  Z  {
    }; 
    

    class X、Y、Z、A 进行 sizeof 运算结果是什么呢?如果你心里已经有了答案,不妨看完下面的分析再说。

    C++ 初学者常有一个错误的认识,认为一个 class 的大小就是该 class 内所有 non static members 的大小总和。既然是错误的认识,那么实际上就不是或者不单纯是该 class 内所有 non static members 的大小总和。在 c++ 对象模型里,一个 class 的大小主要受下面三个方面影响:

    1 语言本身特性造成的额外负担

    这里的额外负担主要是受 virtual 特性影响,包括 virtual base classvirtual function 。在 derived class 中这种额外负担反映在某种形式的指针上,可以是虚函数指针,或者指向虚基类的 subject class 偏移地址等。详细内容可以参考C++ 虚函数浅析。

    2 编译器对特殊情况的优化处理

    例如对于 empty virtual base class 的特殊支持,在 C++ 对象模型中一个空的 class 大小为 1 byte ,因为编译器为了使每个 object 在内存中能有独一无二的地址,为空 class 安插了一个 char 。如果一个空的 class 大小为 0 byte ,那么像该 class 的数组 X x[10]; ,编译器将无法区分每个元素的地址。但是如果 derived class 的大小不为 0 ,就不需要 base class1 byte 进行内存地址区分,那么如果编译器对这种情况进行了优化的话,就会将该 1 byte 去掉,如果没有还是会继续保留这个额外的 1 byte 空间。

    说到编译器对特殊情况的优化,下面这段话比较恰当表述了编译器演化与 C++ 对象模型的关系:

    编译器之间的潜在差异正说明了 C++ 对象模型的演化。这个模型为一般情况提供了解决之道,当特殊情况渐渐被挖掘出来时,种种启发法于是被引入,提供优化的处理。如果成功,启发法于是就提升为普遍的策略,并跨越各种编译器而合并。他被视为标准(虽然他并不被规范为标准),久而久之也就成了语言的一部分。

    3 边界调整(Alignment)的影响

    为了数据能够更有效率的在内存中存取,编译器会 class 的内存边界进行调整,在 32 位机器上通常 alignment4 bytes ,以使总线的运输效率最高。

    经过上面的分析后,可以看出具体结果要视编译器而定。首先讨论在编译器没有对 empty virtual base class 进行优化的情况,那么:

    1. class X 的大小应该是 1 byte ,该 1 byte 由编译器插入。
    2. class Yclass Z 的大小相同为 8 ,包括 4 byte 的 虚基类指针再加上 1 byte 的基类 X的大小,考虑到内存对齐需要补齐 3 byte ,所以最终结果为 8 byte
    3. class A 的大小为 12 byte ,包括 class Yclass Z 内的两个 4 byte 虚基类指针共 8 byte ,此外由于 X 为虚基类,所以在 A 内只有一个实体,所以应该再加上 X1 byte 和内存对齐额外补齐的 3 byte ,共 12 byte

    所以最终结果为:

    sizeof(X) = 1 byte 
    sizeof(Y) = sizeof(Z) = 8 byte
    sizeof(A) = 12 byte。
    

    如果编译器对 empty virtual base class 进行了优化,那么 class X1 byte 空间在派生类中将被拿掉,相应的由于内存对齐而引起的 3 byte 也被去掉了,所以最终结果应该是:

    sizeof(X) = 1 byte
    sizeof(Y) = sizeof(Z) = 4 byte 
    sizeof(A) = 8 byte。
    

    其实做为一个学习者,有一个学习的氛围跟一个交流圈子特别重要这里我推荐一个C/C++基础交流583650410,不管你是小白还是转行人士欢迎入驻,大家一起交流成长。



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