C++空类的那点事儿

2023-12-06 微信公众号思想觉悟

C++空类的那点事儿

什么是C++的空类

顾名思义，空类就是指哪些不包含成员变量的类。例如以下这个就是一个空类：

class EmptyBase {

};

既然如此，那么是不是说空类的内部一定不会其他代码呢？不是的，空类内部也可以包含其他东西，例如：构造函数、析构函数、静态成员变量、静态函数、成员函数、typedef语句等。

例如在以下代码中EmptyBase依然是空类:

class EmptyBase {
public:

    // 构造函数
    EmptyBase(){

    }
    // 析构函数
    ~EmptyBase(){

    }
    // typedef并没有给类增加成员或者函数

    typedef int INT_NUM;
    
    // 不涉及到内部成员变量的内部函数
    void set(int a){

    }
    // 静态函数
    static void setStr(const std::string& s){

    }

    // 静态变量
    static std::string str;
};

在C++11之后我们可以使用std::is_empty判断一个类是否是空类：

#include <IOStream>
class EmptyBase {

};

int mAIn() {
    
    auto aa = std::is_empty<EmptyBase>::value;
    std::cout << "是否是空类：" << aa << std::endl;
    return 0;
}

C++空类的大小

有以下计算空类大小的代码，你认为输出结果是多少？

#include <iostream>
class EmptyClass {
    // 空类
};
int main(int argc, char* argv[]) {
    std::cout << "sizeof(EmptyClass): " << sizeof(EmptyClass) << std::endl;
    return 0;
}

即使是空类，其大小也不会为0。在许多平台上，空类的大小为1；而在某些对于对齐（alignment）要求更严格系统上，空类的大小可能是另一个数（通常是4）。

为什么C++空类的大小不是0呢？

C++的设计者们不允许类的大小为0，因为每个对象都必须具有唯一的地址，特别是在涉及到取址和指针计算时，如果一个类的大小是0，那么指针的一切将会失效。试想一下如果空类的大小为0，那么由空类它们构成的数组，其大小必然也是0，这会导致指针运算中普遍使用的性质失效。

空基类优化

C++标准规定，当空类作为基类时，只要不会与同一类型的另一个对象或子对象分配在同一地址，就不需为其分配任何空间。

#include <iostream>
class EmptyBase {
    // 空基类
};

class EmptyOne: public EmptyBase{
    // 空类1
};

class EmptyTwo: public EmptyOne{
    // 空类2
};

int main(int argc, char* argv[]) {
    std::cout << "sizeof(EmptyBase): " << sizeof(EmptyBase) << std::endl;
    std::cout << "sizeof(EmptyOne): " << sizeof(EmptyOne) << std::endl;
    std::cout << "sizeof(EmptyTwo): " << sizeof(EmptyTwo) << std::endl;
    return 0;
}

如果编译器支持空基类优化，上述程序所有的输出结果相同(一般是1)，但均不为0。

我们修改一下代码，将EmptyTwo改为多继承，那么EmptyTwo还是空类吗？

class EmptyTwo: public EmptyOne,public EmptyBase{

};

答案是在多继承状态的EmptyTwo已经不是空类了，虽然EmptyTwo和它的基类都没有任何成员。不过，EmptyTwo的基类EmptyOne和EmptyBase不能分配到同一地址空间，否则EmptyTwo的基类EmptyBase会和EmptyOne的基类EmptyBase撞在同一地址空间上。换句话说，两个相同类型的子对象偏移量相同，这是C++对象布局规则不允许的。

对空基类优化进行限制的根本原因在于，我们需要能比较两个指针是否指向同一对象。由于指针几乎总是用地址作内部表示，所以我们必须保证两个不同的地址（即两个不同的指针值）对应两个不同的对象。虽然这种约束看起来并不非常重要，但是在实际应用中的许多类都是继承自一组定义公共typedefs的基类，当这些类作为子对象出现在同一对象中时，问题就凸现出来了，此时优化应被禁止。

空类存在的意义是什么

尽管在面向对象编程中，空类看起来可能有些多余，但是它们存确有它们的用途。

空类是一种有着潜在应用价值的编程技巧，例如空类可以被用于多种编程模式和设计模式中，它还可以作为数据类型的标记，用于在编译时实现条件编译。空类也可以作为接口占位符，用于后续的继承实现或者后续扩展等。空类也在模板编程和元编程等高级编程技术中也发挥重要作用。

例如在C++标准库中，五种迭代器类别都有对应的空类。这些空类用于标识迭代器的类别，并通过模板特化来实现对不同类型迭代器的特殊处理，如图：

C++空类的那点事儿