基类的填充是否会复制到派生类中？答案

【问题标题】：will the padding of base class be copied into the derived class?基类的填充是否会复制到派生类中？
【发布时间】：2018-10-15 13:57:44
【问题描述】：

最近，我一直在阅读“c++ 对象模型内部”。它说基类中使用的填充也应该复制到派生类中，以防您要将基类分配给派生类。因此，我在 64 位计算机下运行测试：

    class A {
    public:
        int valA;
        char a;
    };
    class B : public A {
    public:
        char b;
    };
    class C : public B {
    public:
        char c;
    };
    int main(){
        std::cout << sizeof(A) << " " << sizeof(B) << " " << sizeof(C) 
        << std::endl;
        C c;
        printf("%p\n%p\n%p\n",&c,&c.b,&c.c);
    }

结果如下：

    8 12 12

    0x7ffd22c5072c

    0x7ffd22c50734

    0x7ffd22c50735

那么为什么 C 的大小与 B 的大小相同？虽然看起来 B 使用了 A 中的 3 字节填充。

【问题讨论】：

显然，单个 char 类没有被填充（没有必要）。如果您在C 中的c 字段是int，那么无疑会正确对齐。
将c 更改为int 并再次运行您的程序。您的怀疑可能对您的工具链是正确的。
标准对此不做任何保证。在某些情况下，该类可能会得到memcpyed，或者它可能会被成员复制。由于优化，复制可能不会发生，并使其看起来像复制了填充。很多事情都可能发生。

标签： c++

【解决方案1】：

那么为什么 C 的大小与 B 相同？

因为B 的尾随填充被重复用于C::b。填充可以重复使用，因为B 不是 POD（plain old data）类（因为它不是标准布局类）。

虽然看起来 B 在 A 中使用了 3 字节填充。

A 的填充不能被B 的其他子对象重用，因为A 是一个标准布局类并且可以简单地复制，即A 是一个POD 类。

基类的填充是否会复制到派生类中？

我想你不是要问复制，而是派生类的基类子对象是否与单个类型具有相同的填充。

答案是，可以从上面推断：填充将是相同的，除了尾随填充可以重新用于其他子对象，除非基类是 POD，在这种情况下它的填充不能重复使用。

对于padding可以重复使用的情况，标准没有规定是否重复使用，编译器之间存在差异。

请解释或链接到“标准布局类型”的定义。

现行标准草案：

[基本类型]

... 标量类型、标准布局类类型 ([class.prop])、此类类型的数组以及这些类型的 cv 限定版本统称为标准布局类型。

[class.prop]（在旧版本的标准中，这些可以直接在[class]下找到）

一个类 S 是一个标准布局类，如果它：

(3.1) 没有非标准布局类（或此类类型的数组）或引用类型的非静态数据成员，

(3.2) 没有虚函数，也没有虚基类，

(3.3) 对所有非静态数据成员具有相同的访问控制，

(3.4) 没有非标准布局的基类，

(3.5) 最多有一个任意给定类型的基类子对象，

(3.6) 具有类中的所有非静态数据成员和位域，并且其基类首先在同一类中声明，并且

(3.7) 没有类型集合 M(S) 的元素作为基类，其中对于任何类型 X，M(X) 定义如下。107 [ 注：M(X) 是所有非基类子对象的类型集，它们可能位于 X 中的零偏移量。— 尾注]

(3.7.1) 如果 X 是没有（可能继承的）非静态数据成员的非联合类类型，则集合 M(X) 为空。

(3.7.2) 如果 X 是具有类型 X0 的非静态数据成员的非联合类类型，该数据成员的大小要么为零，要么是第一个 X 的非静态数据成员（其中所述成员可能是匿名的 union)，集合 M(X) 由 X0 和 M(X0) 的元素组成。

(3.7.3) 如果 X 是联合类型，则集合 M(X) 是所有 M(Ui) 和包含所有 Ui 的集合的联合，其中每个 Ui 是 X 的第 i 个非静态数据成员。

(3.7.4) 如果 X 是元素类型为 Xe 的数组类型，则集合 M(X) 由 Xe 和 M(Xe) 的元素组成。

(3.7.5) 如果 X 是非类、非数组类型，则集合 M(X) 为空。

第 (3.6) 项适用于这种情况。 B 的某些成员不是首先在 B 中声明的。特别是，B::A::valA 和 B::A::a 在 A 中首先声明。描述规则的更友好的方式是：类必须具有没有直接成员，或者它的祖先都没有成员。在这种情况下，基类和派生类都有成员，因此不是标准布局。

【讨论】：

请解释或链接到“标准布局类型”的定义。
@Sjoerd 现在是 3.6。 B 的某些成员不是首先在 B 中声明的。特别是，B::A::valA 和 B::A::a 首先在 A 中声明。描述规则的更友好的方式是：该类必须没有直接成员，或者其祖先都必须没有成员。在这种情况下，基类和派生类都有成员，因此不是标准布局。
如果我正确理解您的断言，您是说如果B 是POD，那么从B 派生的class A : B {...} 不能重用B 的填充？
This 似乎是一个反例，至少如果您假设编译器遵循标准。 simple 是 POD（至少根据 std::is_pod 的意见和 C++11 规则，虽然不是 C++03 规则），但 simple 的填充被 derived 重新使用。跨度>
@BeeOnRope 我想答案是错误的。实际上，只要该类是非 POD （或非标准布局），它就可以重新使用子对象的填充（例如您的示例中的派生 is 和 does ）。但这并不能解释派生 B 是非 POD 的 OP 中缺乏重用。要么是我错过了某些规则，要么 ABI 根本没有利用它（可能是由于向后兼容性）。

【解决方案2】：

C 与B 大小相同，因为在您的平台上，ABI 选择使用B 中的填充来存储1 字节成员C::c。 B 在末尾有 3 个字节的填充，因为整个 B 对象具有对齐 4（由于 A 中的 int 成员）。

B 与A 的大小不同，但是，因为在这种情况下，即使有空间，ABI 显然也不允许将B::b 存储在A 的填充中。当所有A 成员都是公开的时会发生这种情况，就像在您的示例中一样：如果您将任何成员设为私有，A、B 和C 的大小都将为 8。我相信这可能是为了 ABI 向后兼容，而不是出于标准中的任何语言的动机。

我不知道标准中是否有直接允许这样做的语言（但没有必要），但似乎这种类型的填充重用是在继承的情况下考虑。例如，std::memcpy 的文档说：

如果对象可能重叠或不是 TriviallyCopyable，则未指定 memcpy 的行为并且可能未定义。

继续定义potentially-overlapping:

一个子对象可能重叠，如果它是一个

基类子对象，或

使用 [[no_unique_address]] 属性声明的非静态数据成员。

第二个条件仅适用于 C++20。

这似乎是为了允许共享填充：如果不存在此子句，则指向 C 的 B 子类的指针上的 memcpy 将覆盖存储的 C::c 的值在 B 的通常填充中。

【讨论】：