空基类优化

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允许空的基类子对象大小为零。

[编辑] 解释

为保证同一类型的不同对象地址始终有别,要求任何对象或成员子对象(除非为 [[no_unique_address]] ——见后述) (C++20 起)的大小至少为 1 ,即使该类型是空类类型(即无非静态数据成员的 class 或 struct )。

然而,基类子对象不受这种制约,而且可以完全从对象布局中被优化掉:

#include <cassert>
 
struct Base {}; // 空类
 
struct Derived1 : Base {
    int i;
};
 
int main()
{
    // 任何空类类型的对象大小至少为 1
    assert(sizeof(Base) > 0);
 
    // 应用空基优化
    assert(sizeof(Derived1) == sizeof(int));
}

若空基类之一亦为首个非静态数据成员的类型或其类型的基类,则禁用空基优化,因为要求同类型二个基类子对象在最终派生类的对象表示中拥有不同地址。

这种情况的典例是 std::reverse_iterator 的朴素实现(派生自空基类 std::iterator ),它保有底层迭代器(亦派生自 std::iterator )为其首个非静态数据成员。

#include <cassert>
 
struct Base {}; // 空类
 
struct Derived1 : Base {
    int i;
};
 
struct Derived2 : Base {
    Base c; // Base ,占用 1 字节,后随为 i 的填充
    int i;
};
 
struct Derived3 : Base {
    Derived1 c; // 从 Base 派生,占用 sizeof(int) 字节
    int i;
};
 
int main()
{
    // 不应用空基优化
    // 基类占用 1 字节,Base 成员占用 1 字节,后随2个填充字节以满足 int 对齐要求
    assert(sizeof(Derived2) == 2*sizeof(int));
 
    // 不应用空基类优化,
    // 基类占用至少 1 字节加填充以满足首个成员的对齐要求(其对齐要求同 int )
    assert(sizeof(Derived3) == 3*sizeof(int));
}

对于标准布局类型 (StandardLayoutType) 要求有空基类优化,以维持指向标准布局对象的指针,用 reinterpret_cast 转换后,还指向其首成员,这是标准布局类型“无拥有非静态数据成员的基类,且无与其首个非静态数据成员同类型的基类”的原因。

(C++11 起)

若空成员子对象使用属性 [[no_unique_address]] ,则允许像空基类一样优化掉它们。取这种成员的地址会产生可能等于同对象的某个其他成员的地址。

#include <cassert>
 
struct Empty {}; // 空类
 
struct X {
    int i;
    [[no_unique_address]] Empty e;
};
 
int main()
{
    // 任何空类类型对象的大小至少为 1
    assert(sizeof(Empty) >= 1);
 
    // 空成员被优化掉
    assert(sizeof(X) == sizeof(int));
}
(C++20 起)

[编辑] 注意

空基类优化常用于具备分配器的标准库类( std::vectorstd::functionstd::shared_ptr 等),以避免为其分配器成员占用任何附加存储,若分配器为无状态。这由与分配器一同存储所要求数据成员之一(例如 vector 的 begin 、 end 或 capacity 指针)于 boost::compressed_pair 的等价版本来实现。

[编辑] 引用

  • C++11 standard (ISO/IEC 14882:2011):
  • 5.10 Equality operators [expr.eq](p: 2)
  • 5.3.3 Sizeof [expr.sizeof](p: 2)
  • 9 Classes [class](p: 4,7)
  • 9.2 Class members [class.mem](p: 20)
  • C++98 standard (ISO/IEC 14882:1998):
  • 5.10 Equality operators [expr.eq](p: 2)
  • 5.3.3 Sizeof [expr.sizeof](p: 2)
  • 9 Classes [class](p: 3)