面试题：C++ 空类 sizeof 值与编译器优化及多重继承

Question

在 C++ 中，考虑多重继承场景，如 `class A {}; class B {}; class C : public A, public B {};`。从编译器优化角度出发，分析 `sizeof(C)` 的取值情况以及编译器如何在保证空类非零 sizeof 值的基础上，处理多重继承时的内存布局以提高空间利用率和访问效率。如果其中一个基类为空类，另一个基类有成员变量，这又会对 `sizeof(C)` 产生怎样的影响，详细说明编译器在这种情况下的处理机制。

Answer 1

1. sizeof(C) 取值情况分析
   • 在C++中，空类的 sizeof 值不为0，通常为1字节，这是为了保证每个对象都有唯一的地址。对于 class C : public A, public B {};，如果 A 和 B 都是空类，sizeof(C) 通常至少为1字节。因为编译器会为 C 的实例分配至少1字节的空间，以满足对象有唯一地址的要求。
   • 从空间利用率角度，编译器不会为每个空基类单独分配空间，而是将 C 作为一个整体，只分配满足最小要求的空间。
   • 从访问效率角度，由于空类没有成员变量，对空基类的访问（例如通过 C 的实例访问 A 或 B 的成员，虽然这里没有成员）通常不涉及复杂的内存偏移计算，效率较高。
2. 多重继承时内存布局及优化
   • 编译器在处理多重继承的内存布局时，会按照继承列表的顺序排列基类子对象。即 C 的内存布局中，先存放 A 子对象，再存放 B 子对象。这样的布局使得通过 C 的实例访问 A 或 B 的成员（如果有的话）时，偏移量计算相对简单，提高了访问效率。
   • 在保证空类非零 sizeof 值的基础上，编译器通过共享空间等方式提高空间利用率。例如对于多个空基类，不会为每个空基类都分配1字节，而是整体只分配满足最小要求的空间。
3. 一个基类为空类，另一个基类有成员变量的情况
   • 假设 class A {}; 为空类，class B { int x; }; 有成员变量，class C : public A, public B {};。此时 sizeof(C) 的值等于 sizeof(B)（通常为4字节，假设 int 为4字节）。
   • 编译器处理机制如下：
     • 内存布局上，先排列空基类 A，但由于 A 为空类，不占用额外空间。然后排列有成员变量的 B 子对象。所以 C 的实例内存布局和 B 的实例类似，只是逻辑上包含了 A 子对象。
     • 对于访问效率，通过 C 访问 B 的成员变量 x 时，偏移量计算基于 B 在 C 中的位置，相对简单直接。而访问 A（虽然无成员）同样不涉及复杂偏移计算，因为其不占空间。这样既保证了空间利用率（空基类不额外占空间），又维持了较好的访问效率。