memcpy 在尝试“快速”pimpl 时未优化

Question

我需要使用一个非常大且复杂的纯标题类（想想 boost::multiprecision::cpp_bin_float，下面称为 BHP），我想将它隐藏在类似 pimpl 的实现后面，纯粹是为了减少大型项目中的编译时间（将 Boost 类替换为 std::complex<double> 可减少大约 50% 的编译时间）。

但是，我想避免动态内存分配。因此，这样的事情看起来很自然（暂时忽略对齐问题，使用aligned_storage 或alignas 可以避免）：

struct Hidden {
  char data[sz];

  Hidden& punned(Hidden const& other);
};

Hidden::punned 然后可以在单个翻译单元中定义以将data 转换为BHP*，对其进行操作，并且不会用 170k LOC 的头文件污染所有其他翻译单元。一个可能的实现可能是

Hidden& Hidden::punned(Hidden const& other) {
  *(BHP*)(data) += *(BHP*)(other.data);
  return *this;
}

这当然是未定义的行为，因为我们通过char 类型的指针访问BHP 类型的对象，因此违反了严格的别名规则。正确的做法是：

Hidden& Hidden::proper(Hidden const& other) {
  BHP tmp; std::memcpy(&tmp, data, sz);
  BHP tmp2; std::memcpy(&tmp2, other.data, sz);
  tmp += tmp2;
  std::memcpy(data, &tmp, sz);
  return *this;
}

现在看起来“很明显”这些memcpy 调用可以被优化掉。不幸的是，事实并非如此，它们仍然存在并使proper() 比punned() 大得多。

我想知道 a) 将数据直接存储在 Hidden 对象中和 b) 避免不必要的副本以重新解释它和 c) 避免违反严格对齐规则和 d) 的正确方法是什么不要携带指向存储区域的额外指针。

有一个godbolt link here；请注意，我测试的所有编译器（GCC 4.9 - trunk、Clang 3.9、4.0 和 5.0 以及 Intel 18）都没有“优化”memcpy。某些版本的 GCC（例如 5.3）也直接抱怨违反了严格的别名规则，尽管并非所有版本都这样做。我还插入了一个知道BHP 的Direct 类，因此可以直接调用它，但我想避免这种情况。

最小的工作示例：

#include <cstring>

constexpr std::size_t sz = 64;

struct Base {
  char foo[sz];
  Base& operator+=(Base const& other) { foo[0] += other.foo[0]; return *this; }
};
typedef Base BHP;

// or:
//#include <boost/multiprecision/cpp_bin_float.hpp>
//typedef boost::multiprecision::number<boost::multiprecision::cpp_bin_float<76> > BHP;

struct Hidden {
  char data[sz];

  Hidden& proper(Hidden const& other);
  Hidden& punned(Hidden const& other);
};

Hidden& Hidden::proper(Hidden const& other) {
  BHP tmp; std::memcpy(&tmp, data, sz);
  BHP tmp2; std::memcpy(&tmp2, other.data, sz);
  tmp += tmp2;
  std::memcpy(data, &tmp, sz);
  return *this;
}

Hidden& Hidden::punned(Hidden const& other) {
  *(BHP*)(data) += *(BHP*)(other.data);
  return *this;
}

struct Direct {
  BHP member;
  Direct& direct(Direct const& other);
};

Direct& Direct::direct(Direct const& other) {
  member += other.member;
  return *this;
}

struct Pointer {
  char storage[sz];
  BHP* data;

  Pointer& also_ok(Pointer const& other);
};

Pointer& Pointer::also_ok(Pointer const& other) {
  *data += *other.data;
  return *this;
}

Answer 1

这当然是未定义的行为，因为我们通过 char 类型的指针访问 BHP 类型的对象。

实际上并非如此。通过char* is fine 访问假设那里实际上有一个BHP 对象。也就是说，只要双方都有：

new (data) BHP(...);

那么这完全没问题：

*(BHP*)(data) += *(BHP*)(other.data);

只需确保您的 char 数组也是 alignas(BHP)。

请注意，gcc 有时不喜欢您重新解释 char[]，因此您可以选择使用类似 std::aligned_storage_t 的内容。