C++ 類大小完全指南：空類、虛函數、單/多繼承、虛繼承的記憶體佈局實測

前言：sizeof 不會撒謊

C++ 類的大小由**非靜態數據成員**、**虛指針 (vptr)**、**虛基類指針 (vbptr)**、**對齊填充**共同決定。靜態成員、非虛函數**不佔用對象大小**。本文通過系統性測試用例，揭示各種繼承場景下的記憶體佈局規律（基於 32 位 MSVC/GCC，64 位指針為 8 字節，結構同理）。

基礎測試矩陣

單繼承：非虛 vs 虛

class Base { virtual void f(); }; // sizeof=4/8 (vptr)
class Derived : public Base {};   // sizeof=4/8 —— 單繼承無新增 vptr，共用基類 vptr
class VDerived : virtual public Base {}; // sizeof=8/16 —— **新增 vbptr** 指向虛基類偏移表

• 非虛單繼承：子類對象佈局 = 基類子對象 + 派生成員。**vptr 共用**，大小不變（無新成員時）。
• 虛單繼承：引入 vbptr (虛基類指針)，用於運行時查找虛基類子對象偏移。大小 = 基類大小 + 指針大小。

多重繼承：非虛

class A { virtual void f(); }; // 4/8
class B { virtual void g(); }; // 4/8
class C : public A, public B {}; // sizeof=8/16 —— **兩個 vptr**！

• 每個帶虛函數的直接基類貢獻一個 **vptr**。
• 子類對象包含多個基類子對象，各有各的 vptr。
• 一個類**只有一張虛表**，但**每個對象可能有多個 vptr**（指向同一虛表的不同部分，或不同虛表）。

多重繼承混合虛繼承

class C1 : public A, virtual public B {}; // sizeof=12/24 (A:4/8 + B:4/8 + vbptr:4/8)
class C2 : virtual public A, virtual public B {}; // sizeof=12/24 (同樣：兩基類 + 一個 vbptr)

• **只要有虛繼承，就引入一個 vbptr**（指向虛基類偏移表），無論虛基類數量。
• 非虛基類正常佈局（含 vptr），虛基類通過 vbptr 間接訪問。

虛繼承的共享機制鑑證

class Base { virtual void f(); };
class B1 : virtual public Base {}; // sizeof=8/16 (Base vptr + vbptr)
class B2 : virtual public Base {}; // sizeof=8/16

class D : public B1, public B2 {}; // sizeof=16/32
// D 中只有一份 Base 子對象！
// B1::vbptr 和 B2::vbptr 指向同一虛基類偏移表條目
// D 的佈局：B1(vptr+vbptr) + B2(vptr+vbptr) + Base(vptr)

• 菱形繼承：虛繼承確保共同虛基類**只有一份實體**。
• 後續繼承若再次 virtual public Base，**不再增加 vbptr**，複用現有虛基類偏移表。

嵌套虛繼承驗證

class C3 : public B1 {};           // sizeof=8/16 (繼承 B1 的 vbptr，共享 Base)
class C4 : virtual public B1 {};   // sizeof=12/24 (新增 vbptr！指向 B1 的虛基類偏移表)
class C5 : virtual public B1, virtual public Base {}; // sizeof=12/24 (等價於 C4，Base 已被 B1 虛繼承)

• virtual public B1 視 B1 為「虛基類」，需新增 vbptr 定位 B1 子對象（B1 內含 Base）。
• virtual public Base 在 virtual public B1 後**不再增加開銷**，編譯器識別 Base 已經是間接虛基類。

虛表指針一致性驗證

A a1, a2;
if (&a1 == &a2) // 錯誤比較！這比較對象地址
// 正確：比較 vptr 內容
// 同類不同對象：vptr 指向**同一張虛表**（只讀數據段），故 vptr 值相同
// 不同類（即使虛函數簽名相同）：虛表不同，vptr 不同

總結：類大小計算口訣

1. 從 1 開始（空類）。
2. 加上**非靜態數據成員**大小（含對齊填充）。
3. 每個**直接基類**若有虛函數 → **+1 vptr**。
4. 若有**虛繼承**（直接或間接）→ **+1 vbptr**（整個類層次只加一次）。
5. 最終按**最大對齊數**對齊（通常為指針大小）。

實戰建議

• 避免不必要的虛繼承（增加 vbptr、間接訪問開銷、佈局複雜）。
• 多重繼承優先考慮**組合**或**介面類**（純虛、無數據、單繼承）。
• 關注對象大小對緩存行（64B）的影響：高頻小對象盡量精簡。
• 調試時用 sizeof、offsetof、__vptr 觀察佈局，而非憑直覺。