C++ 空/非空、虚/非虚类的sizeof内存大小规则答疑

测试背景与代码 #

我尝试探究不同类型类的内存占用大小，分别测试空类/非空类、含虚函数/不含虚函数类的sizeof取值，测试代码如下：

#include <iostream>

class empty_virtual_base {
    empty_virtual_base() {}
    virtual ~empty_virtual_base() {}
};

class non_empty_virtual_base {
    int a;
    non_empty_virtual_base() {}
    virtual ~non_empty_virtual_base() {}
};

class empty_base {
    empty_base() {}
    ~empty_base() {}
};

class non_empty_base {
    int a;
    non_empty_base() {}
    ~non_empty_base() {}
};

int main() {
    std::cout << "empty virtual class: " << sizeof(empty_virtual_base) << "bytes" << std::endl;
    std::cout << "non empty virtual class: " << sizeof(non_empty_virtual_base) << "bytes" << std::endl;
    std::cout << "empty normal class: " << sizeof(empty_base) << "bytes" << std::endl;
    std::cout << "non empty normal class: " << sizeof(non_empty_base) << "bytes" << std::endl;

    std::cin.get();
    return 0;
}

程序运行输出：

empty virtual class: 4 bytes
non empty virtual class: 8 bytes
empty normal class: 1 bytes
non empty normal class: 4 bytes

已知不含虚函数的空类会分配1字节内存，用于唯一标识类的实例地址，测试中存在两点疑问：

• 含虚函数的空类大小为4字节，这4字节是指向虚表的vptr指针占用的，为什么这类不需要像普通空类一样额外分配1字节做实例标识？
• 当类中添加占4字节的int类型成员变量后，含虚函数的类大小为8字节，不含虚函数的类大小为4字节；按之前的认知非虚类应该是1字节占位加4字节int共5字节，为什么原本的1字节占位没有体现？

核心规则说明 #

要搞懂这两个问题，先记住两个最基础的C++对象内存规则：

• 所有不同的对象实例，内存地址绝对不能重复。如果一个类没有任何实际存储数据的内容——没有自定义的非静态成员变量、没有虚函数、也没有继承自带成员/虚函数的基类，编译器才会隐式添加1字节的占位，保证声明两个同类对象时地址不冲突。
• 只要类里已经存在实际占用内存的内容——不管是开发者自己写的成员变量，还是编译器隐式插入的虚表指针vptr，上述的1字节占位就不会被添加。同时类的内存排布需要满足对齐要求，最终总大小必须是类内最大对齐值的整数倍。

疑问解答 #

为什么带虚函数的空类不需要额外1字节占位？ #

带虚函数的类，编译器会为每个实例隐式插入一个指向虚函数表的指针vptr，在你测试的32位环境下，指针本身就占4字节。
此时类的实例已经有实打实的4字节内存占用，靠这部分内存已经可以唯一区分不同实例，完全满足地址不重复的要求，自然不需要再多塞1字节占位。如果强行添加这1字节，还会因为指针的4字节对齐要求，额外补3字节填充，平白让类大小涨到8字节，属于完全没必要的内存浪费，编译器不会做这种设计。

为什么加了int成员后，非虚类没有算上1字节占位？ #

你认知里的「1字节占位+4字节int共5字节」是错误的：那个1字节占位只有在类完全没有任何实际数据成员的时候才会存在。
当你给普通空类添加int类型的非静态成员后，类已经有了4字节的实际数据存储，这部分内存已经足够区分不同实例，那个为了空类准备的1字节占位从一开始就不会被插入，自然不会算入总大小。
而含虚函数的类最终大小为8字节也符合规则：4字节vptr加上4字节int成员，两者的对齐值都是4，加总后刚好是8，满足对齐要求不需要额外填充，因此结果为8字节。

补充：当前测试结果是32位编译环境下的数值，如果切换到64位环境，指针长度为8字节，对应带虚函数的空类大小会是8字节，带int成员的虚类大小会是16字节（8字节vptr + 4字节int + 4字节对齐填充）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Y. Luo