C++ 類大小深度測試：空類、虛函數、靜態成員、單/多重繼承、虛繼承完整分析

C++ 類的記憶體佈局直接影響物件大小、效能與多態行為。本文通過系統性測試，揭示 sizeof 在各種繼承、虛函數、靜態成員組合下的具體數值與底層原理，包含虛表指標 (vptr)、虛基類指標、空類優化、記憶體對齊等核心機制。

測試環境與前提

• 32 位元系統：指標 4 bytes，int 4 bytes
• 編譯器：MSVC (Visual Studio)，符合 Itanium C++ ABI 風格
• 記憶體對齊：預設 4/8 bytes 對齊

基礎測試案例

類別定義	sizeof	解析
class CEmptyClass {};	1	空類大小非 0，確保每個物件有唯一位址
class A { virtual void a(); };	4	含虛函數 → 編譯器注入 vptr (4 bytes)
class A2 { static int m_sNum; };	1	靜態成員不佔物件空間，屬於類別而非實例
class A3 { virtual void a(); static int m_sNum; };	4	vptr 4 bytes，靜態成員不計入
class A4 { bool m_b; int m_n; static int m_s; };	8	bool(1) + padding(3) + int(4) = 8 (對齊)

單一繼承測試

繼承方式	定義	sizeof	解析
非虛繼承	class B : public A {};	4	共享基類 vptr，無額外開銷
虛繼承	class B1 : virtual public A {};	8	+4 bytes：虛基類指標 (vbptr 或偏移量)

結論：虛繼承比非虛繼承多 4 bytes (32位元)，本質是額外的指標用於執行期解析虛基類位址。

多重繼承測試 (非虛)

定義	sizeof	解析
class B2 : public A, public A1 {}; (雙虛函數基類)	4	單一 vptr，多重繼承不增加虛表指標
class B3 : public A1, public A2 {}; (一虛一非虛)	4	僅虛函數基類貢獻 vptr

關鍵發現：一個類別只有一個虛表，一個物件只有一個 vptr，與繼承多少基類無關。

虛多重繼承測試

定義	sizeof	解析
class B4 : public A, virtual public A1 {};	12	A(4) + A1(4) + vbptr(4)
class B5 : virtual public A, virtual public A1 {};	12	同前，虛繼承只增加單一 vbptr

結論：無論單一或多重虛繼承，只增加一個虛基類指標 (4 bytes)。

鑽石繼承與虛基類共享機制

class A { virtual void a(); };      // sizeof=4
class B1 : virtual public A {};     // sizeof=8 (vptr + vbptr)
class C2 : public B1, virtual public A {};  // sizeof=8
class C3 : public B1 {};            // sizeof=8
class C4 : virtual public B1 {};    // sizeof=12
class C5 : virtual public B1, virtual public A {}; // sizeof=12

類別	sizeof	關鍵機制
C2	8	虛基類共享：virtual public A 被 B1 已虛繼承，C2 再次虛繼承 A 不增加空間
C3	8	非虛繼承 B1，B1 已含虛基類機制，直接複用
C4	12	虛繼承 B1 → 新增 vbptr 指向 B1 的虛基類表
C5	12	雙重虛繼承但 A 已被 B1 虛繼承，共享機制生效，等同 C4

虛表指標 (vptr) 驗證

A a1, a2;
if (&a1 == &a2)  // 錯誤寫法：比較物件位址
// 正確驗證：取得 vptr 位址 (編譯器相關)
int* vptr1 = *reinterpret_cast(&a1);
int* vptr2 = *reinterpret_cast(&a2);
assert(vptr1 == vptr2);  // 同類別物件共享虛表指標值

鐵律：同一類別的所有物件，vptr 指向同一虛表。虛表屬於類別，不屬於物件。

總結速查表

| 情況 | 大小變化 | 核心原因 | |------|----------|----------| | 空類 | 1 | 物件唯一位址 | | 增加虛函數 | +4 | 注入 vptr | | 增加靜態成員 | +0 | 不屬於物件 | | 非虛單繼承 (基有虛) | +0 | 共享 vptr | | 虛單繼承 | +4 | 注入 vbptr | | 非虛多重繼承 | +0~4 | 取決於基類是否有虛函數 | | 虛多重繼承 | +4 | 單一 vbptr | | 鑽石虛繼承 | 共享 | 虛基類單一實例 |

實戰啟示

1. 虛繼承代價：每層虛繼承 +4/+8 bytes，多態設計需權衡
2. 空類優化 (EBO)：空基類在非虛繼承中可併入衍生類，不佔空間
3. 記憶體對齊：bool + int 因對齊佔 8 bytes，重排欄位可省空間
4. 虛表機制：理解 vptr/vtable 是掌握多態、RTTI、dynamic_cast 的前提

熟練掌握類大小計算規則，是 C++ 物件模型、效能優化、序列化、跨語言互操作的核心功力。