C++ 对象模型探索分析之一

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大纲

C++ 对象模型

编译器说明

本文所有示例代码均在 Visual Studio 2026（MSVC 编译器）64 位环境下运行。如果使用 Linux 平台的 G++ 编译器，部分示例代码的输出结果可能有所不同。

类对象所占用的内存空间

sizeof 的使用说明

在 C++ 中，只要对象 a 的类型为 A，那么 sizeof(A) 和 sizeof(a) 的计算结果始终相同，与类的复杂程度无关。例如，类中包含成员变量、成员函数、静态成员变量、虚函数等，都不影响这两种写法结果相同这一结论。sizeof 计算的是类对象所占用的内存空间，包括非静态成员变量及可能存在的内存对齐填充，不包括静态成员变量和成员函数本身占用的空间。

空类对象

在 C++ 中，空类和空结构体的对象大小通常都是 1 个字节。

  • 对象大小：

    • 空类对象（class）：即使没有任何成员变量和成员函数，sizeof 的结果通常是 1。
    • 空结构体对象（struct）：与空类对象类似，sizeof 的结果通常也是 1。

  • 原因分析：

    • C++ 标准要求完整对象具有非零大小，以保证不同的独立对象拥有不同的内存地址。

  • 注意事项：

    • C++ 中 class 和 struct 的主要区别在于默认访问权限和默认继承权限，不影响空类型对象的大小。
    • C 语言标准不允许定义空结构体；GCC 等编译器可能通过扩展支持空结构体，其对象大小通常为 0 个字节。
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#include <iostream>

// 空类
class A {

};

int main() {
    A a;
    int size = sizeof(a);
    std::cout << "size = " << size << std::endl;  // 输出 size = 1
    return 0;
}

带虚函数的对象

C++ 中，类的虚函数不占用类对象内部的数据内存空间（仅占用一个虚函数表指针的额外空间），因为虚函数的函数体代码由该类的所有对象共享，单独存储于程序的代码区（或只读常量区），而类对象内部只存储一个指向虚函数表（vtable）的指针（vptr，32 位系统通常是占用 4 个字节，64 位系统通常是占用 8 个字节），而不是存储虚函数本身的代码；并且，无论类中有多少个虚函数，每个类对象内部永远只有一个虚函数表指针（vptr）；但多重继承的情况除外 —— 当一个类继承了多个含有虚函数的基类时，该对象内部通常会包含多个 vptr（每个含虚函数的基类子对象对应一个 vptr）。值得注意的是，虚函数表指针（vptr）是对象级别的，每个对象内部通常只包含一个隐藏的指针，用来指向该类的虚函数表（vtable）。

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#include <iostream>

// 带虚函数的类
class A {
public:
    // 虚函数，增加虚函数表指针
    virtual void func() {
    }

};

int main() {
    A a;
    int size = sizeof(a);
    std::cout << "size = " << size << std::endl;  // 输出 size = 8
    return 0;
}

带成员函数的对象

C++ 中，类的成员函数（包括静态和非静态成员函数）不占用类对象的内存空间，因为同一个类的所有对象共享同一份成员函数代码，成员函数代码通常存储在程序的代码区中，而不是存储在每个类对象的内部。

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#include <iostream>

// 带成员函数的类
class A {
public:
    void func1() {
    }

    void func2() {
    }

    void func3() {
    }

    static void func4() {
    }
};

int main() {
    A a;
    int size = sizeof(a);
    std::cout << "size = " << size << std::endl;  // 输出 size = 1
    return 0;
}

带静态成员变量的对象

C++ 中，类的静态成员变量不占用类对象的内存空间，因为静态成员变量由该类的所有对象共享，单独存储于程序的静态存储区，而不是存储在每个类对象内部。

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#include <iostream>

// 带静态成员变量的类
class A {

public:
    static int num;
};

int A::num = 0;

int main() {
    A a;
    int size = sizeof(a);
    std::cout << "size = " << size << std::endl;  // 输出 size = 1
    return 0;
}

带非静态成员变量的对象

C++ 中，类的非静态成员变量占用类对象的内存空间，因为每个对象都有自己独立的非静态成员变量副本，用于存储对象各自的状态。

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#include <iostream>

// 带非静态成员变量的类
class A {

public:
    int num;
};

int main() {
    A a;  // 对象 a 的内存地址与其第一个非静态成员变量 num 的内存地址相同
    int size = sizeof(a);
    std::cout << "size = " << size << std::endl;  // 输出 size = 4
    return 0;
}