空数据成员优化：有可能吗？

Question

在 C++ 中，大多数优化都源自 as-if 规则。也就是说，只要程序表现得好像没有进行优化，那么它们就是有效的。

空基优化就是这样一种技巧：在某些情况下，如果基类为空（没有任何非静态数据成员），那么编译器可能会省略其内存表示。

显然，标准似乎禁止对数据成员进行这种优化，即即使数据成员为空，它仍然必须占据至少一个字节的位置：来自 n3225，[class]

4 - 类类型的完整对象和成员子对象应具有非零大小。

注意：这会导致在策略设计中使用私有继承，以便在适当的时候启动 EBO

我想知道，使用 as-if 规则是否仍然可以执行此优化。

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编辑：遵循一些答案和 cmets，以便更清楚地了解我在想什么。

首先，我举个例子：

struct Empty {};

struct Foo { Empty e; int i; };

我的问题是，为什么是 sizeof(Foo) != sizeof(int) ？特别是，除非您指定一些包装，否则由于对齐问题，Foo 的大小可能是 int 的两倍，这看起来很可笑。

注意：我的问题不是为什么是sizeof(Foo) != 0，这实际上也不是 EBO 所要求的

根据 C++，这是因为没有子对象的大小可能为零。然而，基地被授权具有零大小（EBO），因此：

struct Bar: Empty { int i; };

很可能（感谢 EBO）服从sizeof(Bar) == sizeof(int)。

Steve Jessop 似乎认为不会有两个子对象具有相同的地址。我考虑了一下，但在大多数情况下它实际上并没有阻止优化：

如果你有“未使用”的内存，那么它是微不足道的：

struct UnusedPadding { Empty e; Empty f; double d; int i; };
// chances are that the layout will leave some memory after int

但事实上，它甚至比这更“糟糕”，因为永远不会写入 Empty 空间（如果 EBO 启动，你最好不要...），因此你实际上可以将它放在一个占用的地方不是另一个对象的地址：

struct Virtual { virtual ~Virtual() {} Empty e; Empty f; int i; };
// most compilers will reserve some space for a virtual pointer!

或者，即使在我们原来的情况下：

struct Foo { Empty e; int i; }; // deja vu!

如果我们想要的只是不同的地址，可以使用(char*)foo.e == (char*)foo.i + 1。

Answer 1

c++20 将带有 [[no_unique_address]] 属性。

提案P0840r2 一直是accepted into the draft standard。它有这个例子：

template<typename Key, typename Value, typename Hash, typename Pred, typename Allocator>
class hash_map {
  [[no_unique_address]] Hash hasher;
  [[no_unique_address]] Pred pred;
  [[no_unique_address]] Allocator alloc;
  Bucket *buckets;
  // ...
public:
  // ...
};

Answer 2

在as-if规则下：

struct A {
    EmptyThing x;
    int y;
};

A a;
assert((void*)&(a.x) != (void*)&(a.y));

不得触发断言。所以我看不出秘密让 x 的大小为 0 有什么好处，而无论如何你只需要在结构中添加填充。

我想理论上编译器可以跟踪是否可以将指针指向成员，并且仅在它们肯定不是时才进行优化。这将具有有限的用途，因为会有两种不同版本的结构具有不同的布局：一种用于优化案例，另一种用于通用代码。

但是，例如，如果您在堆栈上创建 A 的实例，并对其执行完全内联（或以其他方式对优化器可见）的操作，是的，结构的某些部分可以完全省略。但是，这并不特定于空对象 - 空对象只是其存储未被访问的对象的一种特殊情况，因此在某些情况下可能根本不会被分配。

Answer 3

出于技术原因，C++ 要求空类的大小不得为零。
这是为了强制不同的对象具有不同的内存地址。所以编译器会默默地将一个字节插入“空”对象。
此约束不适用于派生类的基类部分，因为它们不是独立的。

Answer 4

因为Empty是一个POD类型，你可以使用memcpy覆盖它的“表示”，所以最好不要与另一个C++对象或有用的数据共享它。

Answer 5

给定struct Empty { }; 考虑如果sizeof(Empty) == 0 会发生什么。为空对象分配堆的通用代码很容易表现出不同的行为，例如，realloc(p, n * sizeof(T))，其中T 是Empty，然后等效于free(p)。如果sizeof(Empty) != 0 那么memset/memcpy 等将尝试在Empty 对象未使用的内存区域上工作。因此，编译器需要根据值的最终使用情况来拼接 sizeof(Empty) 之类的东西——这对我来说听起来几乎是不可能的。

另外，根据当前的 C++ 规则，确保每个成员都有不同的地址意味着您可以使用这些地址来编码有关这些字段的某些状态 - 例如文本字段名称，是否应该访问字段对象的某些成员函数等。如果地址突然重合，任何依赖这些键的现有代码都可能中断。