C++类对象大小的计算
(一)常规类大小计算
C++类对象计算需要考虑很多东西,如成员变量大小,内存对齐,是否有虚函数,是否有虚继承等。接下来,我将对此举例说明。
一、完全空类
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- };
- class B : public A{
- };
- class C : public B{
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类布局图:
运行结果为:
不含任何成员变量,且在一般继承(不含虚继承)情况下,无论是基类还是派生类,所有的类大小均为1。这1个字节的空间是系统为该类的对象创建的一个占位符,表示该对象仅仅是存在而已,而没有实际内容。
二、仅有常规函数,无成员变量类
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- };
- class B :public A{
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- };
- class C : public B{
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类布局图:
运行结果为:
仅包含一般成员函数(即没有虚函数),不含成员变量时,运行结果和(一)是一样的,系统也只是为对象创建了1个字节的占位符。因此,我们可以得出结论是,一般成员函数不会对类的大小造成影响。
三、含有一般成员变量的类
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- class B :public A{
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- class C : public B{
- public:
- C(int x=0) {
- cout<<"C"<<x<<endl;
- }
- void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构体为:
运行结果为:
依次继承的三个类中含有相同数量,相同类型的一般成员变量(不含静态成员变量)。此种情况下,类对象大小=基类对象大小+自身成员大小。A当中三个字符变量3个字节,一个整形变量4个字节,考虑内存对齐因素(默认为4),A类对象大小为8。B类对象大小为A类对象大小基础上再加8,C类对象大小在B类对象大小基础上再加8。
若继承情况为:A、B都是基类,C类同时继承了A、B,结果同样符合上述的累加原则:类C对象的大小=类A对象的大小+类B对象的大小+自身成员大小。如:
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- class B{
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- class C : public A, public B{
- public:
- C(int x=0) {
- cout<<"C"<<x<<endl;
- }
- void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
四、含有静态成员变量
在上面例子的基础上,每个类都增加一个静态成员变量:
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- static int Data3;
- };
- class B: public A {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- static int Data3;
- };
- class C : public B{
- public:
- C(int x=0) {
- cout<<"C"<<x<<endl;
- }
- void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- private:
- char Data1[3];
- int Data2;
- static int Data3;
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
运行结果为:
可以看到,类对象大小没有因为增加了静态成员而变化。因为静态成员是属于类成员共有的,不单独属于任何一个对象,对静态成员的存储不会选择在某个对象空间,而是存在于堆当中,因此不会对对象的大小造成影响。
以上情况仅仅只是考虑常规函数,没有虚函数,没有虚继承情况下类对象。之后的文章《C++类对象大小的计算(二)含有虚函数类大小计算》会讨论含有虚函数时的情况。
五、包含虚函数的类
包含虚函数的类,对象生成时,会在类对象当中插入一个指针,这个指针称做虚函数表指针,简称虚表指针(vPtr)。该指针指向一个虚函数表(简称虚表),虚函数表中存储了虚函数的入口地址。基类当中有虚函数时,会产生该虚函数表;创建基类对象,对象中的vPtr会指向该表;调用虚函数时,是通过vPtr在此表当中寻找函数入口地址的。
当派生类继承含有虚函数的子类时,会复制一份虚函数表,派生类如果有与基类中虚函数同名的虚函数,会在虚函数表中覆盖原来基类的虚函数;如果虚函数不重名,只会在虚函数表中增加一个函数入口。这种机制实现了类的多态。
如下面的例子:
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- };
- class B :public A{
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- virtual void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- };
- class C : public B{
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- virtual void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- virtual void printA() {
- cout<<"Hello A";
- }
- };
- class B {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- virtual void printB() {
- cout<<"Hello B";
- }
- };
- class C : public B, public A{
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- void printC() {
- cout<<"Hello C";
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
运行结果为:
六、当类中含有虚继承情况时
1. 派生类对象中会添加一个指针,该指针指向虚继承的基类,称为虚类指针(cPtr)。每一个指针只指向其中一个虚继承的类,也就是说,虚继承了几个类,就会有几个cPtr。
2. 父类当中的成员变量、虚函数指针(vPtr)、虚类指针(cPtr)仍然会被复制到派生类当中。但在不同继承模式下,vPtr和cPtr的效果是不同的。
vPtr:普通继承时,子类当中如果有虚函数,会直接在父类的虚函数表中添加或者替换相应的选项;虚继承时,vPtr指向的基类虚表不可以再增加了;如果在派生类添加虚函数,分为三种情况:
情况一:虚函数名称与父类当中的某个虚函数名相同,且派生类含有构造函数,会在结构体中产生一个和虚基类有关的vtordisp指针,该指针作用暂未知。
情况二:虚函数名称与父类当中的某个虚函数名相同,且派生类不含构造函数,会直接修改基类虚函数表,类大小不变。
情况三:虚函数名称与父类当中的任何一个虚函数都不同,需要重新添加一个vPtr,重新产生一个虚函数表,大小就会增加。
cPtr:假设子类D同时继承了父类B和父类C,两个父类都虚继承了类A(A是无任何虚继承的类),根据子类D对B、C继承方式的不同,其cPtr的个数也是不同的
(1). 父类B、C都是普通继承。这种情况下有两个cPtr,分别是从父类B和父类C中继承过来的,且指向虚继承的A。
(2). 父类C是虚继承,B是普通继承时(或相反情况)。普通继承父类B时已经继承过A(有了一个cPtr),因此在虚继承父类C时,父类C虚继承的类A就不会再次继承,因此不会有第二个cPtr指向A。虚继承父类C也会产生一个cPtr。因此,此种情况下有两个cPtr。
(3). 父类B、C都是虚继承。此时指向类A的cPtr仍然只有一个,另外有两个cPtr指向父类B、C,所以一共有三个cPtr。
下面以几个例子来理解一下上面所说内容:
情况一:类B虚继承类A,类C虚继承类A,类D普通继承类B、C,各类中均不包含虚函数
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- };
- class B : virtual public A {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- };
- class C : virtual public A {
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- };
- class D : public B, public C {
- public:
- D() {
- cout<<"D"<<endl;
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- D d;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- cout<<"size of d:"<<sizeof(d)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
类B、C虚继承了类A,因此都拥有一个cPtr(类图中用vbptr表示),因此大小为4。类D普通继承了B、C,因此复制了两者的cPtr(都指向类A),大小为8。
情况二:类B虚继承类A,类C普通继承类A,类A、B、C中都包含有虚函数
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- virtual void printA() {
- cout<<"Hello A"<<endl;
- }
- };
- class B :virtual public A {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- virtual void printA() {
- cout<<"Hello A"<<endl;
- }
- };
- class C : public A {
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- virtual void printA() {
- cout<<"Hello A"<<endl;
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
类A当中因为有虚函数,存在一个vPtr,因此结果为4。类B复制了类A的vPtr和虚函数表,产生了指向类A的cPtr;因为是类B是虚继承了类A,且类B当中又有与类A中同名的虚函数,因此根据vPtr情况一所示,也就有了一个新的vtordisp指针;共三个指针,因此大小为12。类C是普通继承类A,复制了类A的虚函数表和vPtr,它的虚函数也就添加在了这个虚函数表中,因此也只有一个指针,大小为4。
情况三:类A为空类;类B、C都虚继承了类A;类D普通继承了类B、C;类E普通继承了类B,虚继承了类C;类F虚继承了类B、C,所有类均没有虚函数
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- };
- class B :virtual public A {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- };
- class C :virtual public A {
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- };
- class D : public C, public B {
- public:
- D() {
- cout<<"D"<<endl;
- }
- };
- class E :virtual public C, public B {
- public:
- E() {
- cout<<"E"<<endl;
- }
- };
- class F :virtual public C, virtual public B {
- public:
- F() {
- cout<<"F"<<endl;
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- D d;
- E e;
- F f;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- cout<<"size of d:"<<sizeof(d)<<endl;
- cout<<"size of e:"<<sizeof(e)<<endl;
- cout<<"size of f:"<<sizeof(f)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
类A、B、C的大小不做过多讨论;类D直接复制了类B和C当中指向类A的cPtr,因此是两个指针,大小为8;类E中复制了类B当中指向类A的cPtr,继承类C时因为虚继承关系不会再一次继承类A,只会产生一个指向类C的cPtr,因此只有两个指针, 大小为8;类F除了类E中的两个指针外,又产生了指向类B的cPtr,一共三个指针,大小为12。
情况四:情况三包含虚函数时
- #include <iostream>
- using namespace std;
- class A {
- public:
- A(int x=0) {
- cout<<"A"<<x<<endl;
- }
- virtual void printA() {
- cout<<"Hello A"<<endl;
- }
- };
- class B :virtual public A {
- public:
- B(int x=0) {
- cout<<"B"<<x<<endl;
- }
- virtual void printB() {
- cout<<"Hello B"<<endl;
- }
- };
- class C :virtual public A {
- public:
- C() {
- cout<<"C"<<endl;
- }
- virtual void printC() {
- cout<<"Hello C"<<endl;
- }
- };
- class D : public C, public B {
- public:
- D() {
- cout<<"D"<<endl;
- }
- virtual void printD() {
- cout<<"Hello D"<<endl;
- }
- };
- class E :virtual public C, public B {
- public:
- E() {
- cout<<"E"<<endl;
- }
- virtual void printE() {
- cout<<"Hello E"<<endl;
- }
- };
- class F :virtual public C, virtual public B {
- public:
- F() {
- cout<<"F"<<endl;
- }
- virtual void printF() {
- cout<<"Hello F"<<endl;
- }
- };
- int main() {
- A a;
- B b;
- C c;
- D d;
- E e;
- F f;
- cout<<"size of a:"<<sizeof(a)<<endl;
- cout<<"size of b:"<<sizeof(b)<<endl;
- cout<<"size of c:"<<sizeof(c)<<endl;
- cout<<"size of d:"<<sizeof(d)<<endl;
- cout<<"size of e:"<<sizeof(e)<<endl;
- cout<<"size of f:"<<sizeof(f)<<endl;
- return 0;
- }
VS类结构图:
运行结果为:
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