C++空類(lèi)的那點(diǎn)事兒
什么是C++的空類(lèi)
顧名思義，空類(lèi)就是指哪些不包含成員變量的類(lèi)。例如以下這個(gè)就是一個(gè)空類(lèi)：
class EmptyBase {
};既然如此，那么是不是說(shuō)空類(lèi)的內(nèi)部一定不會(huì)其他代碼呢？不是的，空類(lèi)內(nèi)部也可以包含其他東西，例如：構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、靜態(tài)成員變量、靜態(tài)函數(shù)、成員函數(shù)、typedef語(yǔ)句等。
例如在以下代碼中EmptyBase依然是空類(lèi):
class EmptyBase {
public:
// 構(gòu)造函數(shù)
EmptyBase(){
}
// 析構(gòu)函數(shù)
~EmptyBase(){
}
// typedef并沒(méi)有給類(lèi)增加成員或者函數(shù)
typedef int INT_NUM;
// 不涉及到內(nèi)部成員變量的內(nèi)部函數(shù)
void set(int a){
}
// 靜態(tài)函數(shù)
static void setStr(const std::string& s){
}
// 靜態(tài)變量
static std::string str;
};在C++11之后我們可以使用std::is_empty判斷一個(gè)類(lèi)是否是空類(lèi)：
#include <iostream>
class EmptyBase {
};
int main() {
auto aa = std::is_empty<EmptyBase>::value;
std::cout << "是否是空類(lèi)：" << aa << std::endl;
return 0;
}C++空類(lèi)的大小
有以下計(jì)算空類(lèi)大小的代碼，你認(rèn)為輸出結(jié)果是多少？
#include <iostream>
class EmptyClass {
// 空類(lèi)
};
int main(int argc, char* argv[]) {
std::cout << "sizeof(EmptyClass): " << sizeof(EmptyClass) << std::endl;
return 0;
}即使是空類(lèi)，其大小也不會(huì)為0。在許多平臺(tái)上，空類(lèi)的大小為1；而在某些對(duì)于對(duì)齊（alignment）要求更嚴(yán)格系統(tǒng)上，空類(lèi)的大小可能是另一個(gè)數(shù)（通常是4）。
為什么C++空類(lèi)的大小不是0呢？
C++的設(shè)計(jì)者們不允許類(lèi)的大小為0，因?yàn)槊總€(gè)對(duì)象都必須具有唯一的地址，特別是在涉及到取址和指針計(jì)算時(shí)，如果一個(gè)類(lèi)的大小是0，那么指針的一切將會(huì)失效。 試想一下如果空類(lèi)的大小為0，那么由空類(lèi)它們構(gòu)成的數(shù)組，其大小必然也是0，這會(huì)導(dǎo)致指針運(yùn)算中普遍使用的性質(zhì)失效。
空基類(lèi)優(yōu)化
C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)空類(lèi)作為基類(lèi)時(shí)，只要不會(huì)與同一類(lèi)型的另一個(gè)對(duì)象或子對(duì)象分配在同一地址，就不需為其分配任何空間。
#include <iostream>
class EmptyBase {
// 空基類(lèi)
};
class EmptyOne: public EmptyBase{
// 空類(lèi)1
};
class EmptyTwo: public EmptyOne{
// 空類(lèi)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;
}如果編譯器支持空基類(lèi)優(yōu)化，上述程序所有的輸出結(jié)果相同(一般是1)，但均不為0。
我們修改一下代碼，將EmptyTwo改為多繼承，那么EmptyTwo還是空類(lèi)嗎？
class EmptyTwo: public EmptyOne,public EmptyBase{
};答案是在多繼承狀態(tài)的EmptyTwo已經(jīng)不是空類(lèi)了， 雖然EmptyTwo和它的基類(lèi)都沒(méi)有任何成員。不過(guò)，EmptyTwo的基類(lèi)EmptyOne和EmptyBase不能分配到同一地址空間， 否則EmptyTwo的基類(lèi)EmptyBase會(huì)和EmptyOne的基類(lèi)EmptyBase撞在同一地址空間上。換句話說(shuō)，兩個(gè)相同類(lèi)型的子對(duì)象偏移量相同，這是C++對(duì)象布局規(guī)則不允許的。
對(duì)空基類(lèi)優(yōu)化進(jìn)行限制的根本原因在于，我們需要能比較兩個(gè)指針是否指向同一對(duì)象。 由于指針幾乎總是用地址作內(nèi)部表示，所以我們必須保證兩個(gè)不同的地址（即兩個(gè)不同的指針值）對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的對(duì)象。 雖然這種約束看起來(lái)并不非常重要，但是在實(shí)際應(yīng)用中的許多類(lèi)都是繼承自一組定義公共typedefs的基類(lèi)，當(dāng)這些類(lèi)作為子對(duì)象出現(xiàn)在同一對(duì)象中時(shí)，問(wèn)題就凸現(xiàn)出來(lái)了，此時(shí)優(yōu)化應(yīng)被禁止。
空類(lèi)存在的意義是什么
盡管在面向?qū)ο缶幊讨?，空?lèi)看起來(lái)可能有些多余，但是它們存確有它們的用途。
空類(lèi)是一種有著潛在應(yīng)用價(jià)值的編程技巧，例如空類(lèi)可以被用于多種編程模式和設(shè)計(jì)模式中，它還可以作為數(shù)據(jù)類(lèi)型的標(biāo)記，用于在編譯時(shí)實(shí)現(xiàn)條件編譯。 空類(lèi)也可以作為接口占位符，用于后續(xù)的繼承實(shí)現(xiàn)或者后續(xù)擴(kuò)展等?？疹?lèi)也在模板編程和元編程等高級(jí)編程技術(shù)中也發(fā)揮重要作用。
例如在C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，五種迭代器類(lèi)別都有對(duì)應(yīng)的空類(lèi)。這些空類(lèi)用于標(biāo)識(shí)迭代器的類(lèi)別，并通過(guò)模板特化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型迭代器的特殊處理，如圖：
