Option 类型是否小于包装类型加上布尔值？

Question

use std::mem::size_of;

struct Position {
    x: f32,
    y: f32,
    z: f32,
}

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // 4 bytes
    used: bool, // 1 bytes + 3 (padding)
    component: Position, // 12 bytes
}


assert_eq!(size_of::<u32>(), 4);
assert_eq!(size_of::<Position>(), 12);
assert_eq!(size_of::<PoolItem>(), 20);

如您所见，这样的结构有 20 个字节长。 Position 实际上是可选的，依赖于used。

使用Option 是否会消除对used 字段的需求并将结构大小减小到16？

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // 4 bytes
    component: Option<Position>, // 12 bytes ?
}

如果是这样，Option 如何实现这样的行为？

我对@9​​87654322@ 的测试似乎表明它不起作用。为什么？

Answer 1

Option 的精确实现并不重要。很明显，您不能将X 的数据量存储在X 的存储量中并且还存储数据是否存在。 Option 的一个明显实现是存储对象和指示对象是否存在的布尔值；显然，类似的事情正在发生。 Option 是一种方便，它仍然需要将信息存储在某个地方。

请注意，在 struct 之外（必须具有一致的大小）Option 可能会避免此成本，如果优化器确定 Option 始终知道“已填充或未填充”状态，因此布尔值 可能被省略，以支持代码始终以正确的方式确定性地使用它（如果它在逻辑上存在，则从堆栈中读取对象，或者在它不存在时不这样做）。但在这种情况下，需要额外的数据。

Answer 2

Option<Position> 需要存储状态（Some 或 None）somewhere，因为Position 已经包含 12 个字节的信息，所以需要更多空间来存储它。通常这意味着它会添加一个额外的字节（加上填充）来存储状态，尽管在某些情况下内部类型具有已知的未使用状态。例如，引用可以指向地址0，因此Option<&'_ T> 可以使用0 作为None 状态并占用与&'_ T 相同的字节数。但是，对于您的 Position 类型，情况并非如此。

如果您绝对需要您的 PoolItem 结构尽可能小，并且如果您可以从 entity_id 字段中保留一位（例如，最高位，2³¹），你可以用它来存储状态：

const COMPONENT_USED_BIT: u32 = (1u32 << 31);

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // lowest 31 bits = entity ID, highest bit = "component used"
    component: Position,
}

这可能会变得有点复杂，因为您需要确保您正在特殊处理该位，但您可以编写几个简单的访问器方法来确保正确处理该特殊位。

impl PoolItem {
    /// Get entity ID, without the "component used" bit
    fn entity_id(&self) -> u32 {
        self.entity_id & !COMPONENT_USED_BIT
    }

    /// Set entity ID, keeping the existing "component used" bit
    fn set_entity_id(&mut self, entity_id: u32) {
        let component_used_bit = self.entity_id & COMPONENT_USED_BIT;
        self.entity_id = (entity_id & !COMPONENT_USED_BIT) | component_used_bit;
    }

    /// Get component if "component used" bit is set
    fn component(&self) -> Option<&Position> {
        if self.entity_id & COMPONENT_USED_BIT != 0 {
            Some(&self.component)
        } else {
            None
        }
    }

    /// Set component, updating the "component used" bit
    fn set_component(&mut self, component: Option<Position>) {
        if let Some(component) = component {
            self.component = component;
            self.entity_id |= COMPONENT_USED_BIT;
        } else {
            self.entity_id &= !COMPONENT_USED_BIT;
        }
    }
}

Playground example with tests

Answer 3

根据 cmets 中的建议，另一种方法是将 Option 和 NonZeroU32 用于 entity_id，并依靠 Some 和 None 来检查是否使用了实体。

struct PoolItem {
    entity_id: Option<core::num::NonZeroU32>, // 4 bytes
    component: Position, // 12 bytes
}

fn main() {
    assert_eq!(size_of::<u32>(), 4);
    assert_eq!(size_of::<Position>(), 12);
    assert_eq!(size_of::<PoolItem>(), 16);
}

它使实体ID从1开始。

Playground