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C++ 空基类优化(EBO)与私有继承


通常我们认为“私有继承”和“组合”都有着相同的应用层语义,即:派生类或包含类是通过继承的类或组合的类对象来实现的(is-implemented-in-terms-of)。但在 C++ 中,由于 EBO(Empty Base Optimization)机制的存在,某种情况下我们可能会更倾向于使用私有继承而非组合的方式。

通常来说,C++ 为了保证相同类型的不同对象其在内存中的地址始终是不同的,因此对于一个即使没有任何非静态(non-static)成员的空类,其对象也必须保证大小最小为 1 个字节。如下代码所示,对于空类 A,我们可以看到其对象大小为 1 个字节。

class A {};
int main(int argc, char **argv) {
  std::cout << sizeof(A) << std::endl;  // 1;
  return 0;
}

在这种情况下,由于类成员数据对齐(内存对齐)的存在,便可能产生:以组合方式包含的空类A,导致整个类对象的大小有着近翻倍的增长。比如在下述代码中,按照我们的想法,类 B 对象的大小应该为5字节(空类 1 字节,int 成员变量 4 字节)。但实际情况是,由于数据成员的对齐,B 对象的实际大小为 8 字节,相较增大了 60%。

class A {};
class B {
  A vA;
  int x;
};
int main(int argc, char **argv) {
  std::cout << sizeof(B) << std::endl;  // 8;
  return 0;
}

然而不同的是,由于 EBO 机制的存在,对于继承了该空类的子对象而言,这部分“多余的内存”占用便会被优化。如下代码所示,当类 B 继承自空类 A 时,B 类对象的大小等于其唯一的 int 整型成员变量的大小。

class A {
  using Int = int;
  typedef double Double;
  enum class Config : uint8_t { Timeout = 1 };
  void foo() {}
  static int globalVal;
};
class B : public A { int x; };
int main(int argc, char **argv) {
  std::cout << sizeof(A) << std::endl;  // 1;
  std::cout << std::boolalpha 
    << (sizeof(B) == sizeof(int)) << std::endl;  // true;
  return 0;
}

这里需要注意的是,本文中我们所说的“空类”,是指不含有 “non-static” 成员变量的类,而对于类型定义成员函数定义静态成员变量以及枚举类(scoped/unscopeded)均可以出现在空基类中,而不会产生额外的内存占用。另一方面需要强调的是,EBO 是对所有继承的派生类均可见的,不会根据继承访问控制的类型而做出区分。本文标题我们所说的 private 私有继承,是因为 EBO 的一般应用场景为私有继承,即派生类基于基类的 “is-implemented-in-terms-of” 实现方式。



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