面试题：C++ 多重继承下虚基类对派生类内存大小的复杂影响

Question

在 C++ 的多重继承场景中，涉及虚基类时，派生类的内存大小是如何确定的？分析以下代码中派生类 `Derived` 的内存布局，并说明虚基类 `VirtualBase` 对其内存大小的具体影响机制。 ```cpp class VirtualBase { int data; }; class Base1 : virtual public VirtualBase { int base1Data; }; class Base2 : virtual public VirtualBase { int base2Data; }; class Derived : public Base1, public Base2 { int derivedData; }; ```

Answer 1

1. 派生类内存大小的确定方式：
   • 在C++多重继承且涉及虚基类的场景下，派生类的内存大小由以下几部分组成：
     • 各个直接基类（非虚基类部分）的成员变量大小。
     • 虚基类子对象的大小。
     • 为了支持虚基类而产生的额外开销，通常是一个指向虚基类子对象的指针（不同编译器实现可能不同，但常见为指针形式）。
     • 派生类自身的成员变量大小。
     • 可能存在的内存对齐填充字节。
2. Derived类的内存布局分析：
   • Base1部分：
     • Base1类有一个int类型的成员变量base1Data，大小为4字节（假设int为4字节）。由于Base1虚继承自VirtualBase，会有一个指向虚基类VirtualBase子对象的指针（假设指针大小为8字节，64位系统）。所以Base1部分大小至少为4 + 8 = 12字节。
   • Base2部分：
     • Base2类有一个int类型的成员变量base2Data，大小为4字节。同样因为虚继承自VirtualBase，也会有一个指向虚基类VirtualBase子对象的指针，大小为8字节。所以Base2部分大小至少为4 + 8 = 12字节。
   • Derived自身部分：
     • Derived类有一个int类型的成员变量derivedData，大小为4字节。
   • 虚基类VirtualBase子对象：
     • VirtualBase类有一个int类型的成员变量data，大小为4字节。
   • 内存对齐：
     • 假设按8字节对齐（常见对齐方式）。Base1部分12字节，Base2部分12字节，Derived自身4字节，虚基类子对象4字节。总大小为(12 + 12 + 4 + 4) = 32字节，已经满足8字节对齐，无需额外填充。所以Derived类的大小为32字节。
3. 虚基类VirtualBase对内存大小的具体影响机制：
   • 减少重复：如果Base1和Base2不是虚继承VirtualBase，那么Derived类中会存在两份VirtualBase子对象，导致内存浪费。虚继承使得Derived类中只存在一份VirtualBase子对象，减少了内存占用。
   • 增加指针开销：为了实现这种共享的虚基类子对象，每个直接虚继承自VirtualBase的类（如Base1和Base2）都需要一个额外的指针来指向共享的VirtualBase子对象，这增加了一定的内存开销。但相比于重复存储虚基类子对象，整体上在多重继承场景下可能更节省内存。

综上所述，Derived类的内存大小为32字节（在上述假设条件下），虚基类VirtualBase通过减少子对象重复存储和引入指针开销来影响Derived类的内存大小。