面试题：C++ 空类模板与复杂内存布局分析

Question

考虑一个模板类template <typename T> class EmptyTemplate { }; 当T分别为int、自定义空类、自定义含有虚函数的类时，实例化后的EmptyTemplate类的内存布局和大小是怎样的？分析编译器在处理这些情况时的优化策略以及背后的C++标准规范。

Answer 1

1. T为int时

   • 内存布局：由于EmptyTemplate<int>本身没有数据成员，它在内存中没有实质占用额外空间来存储数据。
   • 大小：在C++中，一个空类实例化后通常大小为1字节（为了确保每个实例在内存中有唯一地址）。但EmptyTemplate<int>可能由于模板的特殊性，某些编译器优化后大小仍为1字节。这是因为虽然它没有实际数据成员，但需要占用一定空间以保证其存在于内存中有唯一标识。
   • 编译器优化策略：编译器可能会利用空基类优化（EBO，Empty Base Optimization）的概念（虽然这里不是严格的继承情况，但类似思路），不会为其分配额外用于存储数据的空间，仅保留最小空间用于标识实例。
   • C++标准规范：C++标准规定，一个类的对象大小必须至少为1字节，以确保每个对象在内存中有唯一地址。

2. T为自定义空类时

   • 内存布局：同样，EmptyTemplate<自定义空类>本身没有数据成员，自定义空类也没有数据成员。
   • 大小：按照C++标准，大小至少为1字节。编译器可能优化为1字节，因为它没有实质数据需要存储，仅需满足对象有唯一内存地址的要求。
   • 编译器优化策略：编译器会基于空类没有数据成员的特点，不分配额外空间用于存储数据，仅确保有1字节空间用于标识实例。
   • C++标准规范：与上述情况一样，标准要求类对象大小至少为1字节以保证唯一性。

3. T为自定义含有虚函数的类时

   • 内存布局：EmptyTemplate<自定义含有虚函数的类>本身无数据成员，但自定义含有虚函数的类会有一个虚函数表指针（vptr）。在内存中，对象首先存储vptr，指向虚函数表。
   • 大小：大小通常为虚函数表指针的大小，在32位系统上一般为4字节，64位系统上一般为8字节。这是因为要存储指向虚函数表的地址。
   • 编译器优化策略：编译器会确保为虚函数表指针分配空间，用于动态绑定虚函数。不会进行减少该指针空间的优化，因为这是实现多态性的关键部分。
   • C++标准规范：C++标准规定，含有虚函数的类必须有一个机制（通常是虚函数表指针）来实现动态绑定，因此编译器必须为其分配足够空间来存储这个指针。