什么是C++的空類

顧名思義，空類就是指哪些不包含成員變量的類。例如以下這個就是一個空類：

class EmptyBase {

};

既然如此，那么是不是說空類的內(nèi)部一定不會其他代碼呢？不是的，空類內(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語句等。

例如在以下代碼中EmptyBase依然是空類:

class EmptyBase {
public:

    // 構(gòu)造函數(shù)
    EmptyBase(){

    }
    // 析構(gòu)函數(shù)
    ~EmptyBase(){

    }
    // typedef并沒有給類增加成員或者函數(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判斷一個類是否是空類：

#include <iostream>
class EmptyBase {

};

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

C++空類的大小

有以下計算空類大小的代碼，你認(rèn)為輸出結(jié)果是多少？

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

即使是空類，其大小也不會為0。在許多平臺上，空類的大小為1；而在某些對于對齊（alignment）要求更嚴(yán)格系統(tǒng)上，空類的大小可能是另一個數(shù)（通常是4）。

為什么C++空類的大小不是0呢？

C++的設(shè)計者們不允許類的大小為0，因?yàn)槊總€對象都必須具有唯一的地址，特別是在涉及到取址和指針計算時，如果一個類的大小是0，那么指針的一切將會失效。 試想一下如果空類的大小為0，那么由空類它們構(gòu)成的數(shù)組，其大小必然也是0，這會導(dǎo)致指針運(yùn)算中普遍使用的性質(zhì)失效。

空基類優(yōu)化

C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)空類作為基類時，只要不會與同一類型的另一個對象或子對象分配在同一地址，就不需為其分配任何空間。

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

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

class EmptyTwo: public EmptyOne{
    // 空類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)不是空類了， 雖然EmptyTwo和它的基類都沒有任何成員。不過，EmptyTwo的基類EmptyOne和EmptyBase不能分配到同一地址空間， 否則EmptyTwo的基類EmptyBase會和EmptyOne的基類EmptyBase撞在同一地址空間上。換句話說，兩個相同類型的子對象偏移量相同，這是C++對象布局規(guī)則不允許的。

對空基類優(yōu)化進(jìn)行限制的根本原因在于，我們需要能比較兩個指針是否指向同一對象。 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不同的地址（即兩個不同的指針值）對應(yīng)兩個不同的對象。 雖然這種約束看起來并不非常重要，但是在實(shí)際應(yīng)用中的許多類都是繼承自一組定義公共typedefs的基類，當(dāng)這些類作為子對象出現(xiàn)在同一對象中時，問題就凸現(xiàn)出來了，此時優(yōu)化應(yīng)被禁止。

空類存在的意義是什么

盡管在面向?qū)ο缶幊讨?，空類看起來可能有些多余，但是它們存確有它們的用途。

空類是一種有著潛在應(yīng)用價值的編程技巧，例如空類可以被用于多種編程模式和設(shè)計模式中，它還可以作為數(shù)據(jù)類型的標(biāo)記，用于在編譯時實(shí)現(xiàn)條件編譯。 空類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。空類也在模板編程和元編程等高級編程技術(shù)中也發(fā)揮重要作用。

例如在C++標(biāo)準(zhǔn)庫中，五種迭代器類別都有對應(yīng)的空類。這些空類用于標(biāo)識迭代器的類別，并通過模板特化來實(shí)現(xiàn)對不同類型迭代器的特殊處理，如圖：