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空基类优化

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允许空基类子对象的尺寸为零。

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[编辑] 解释

任何对象或成员子对象的尺寸都要求至少为 1，即使类型是空类类型（即没有非静态数据成员的类或结构体），（除非使用 [[no_unique_address]]，见下文）(C++20 起) 以确保同类型不同对象的地址始终不同。

然而，基类子对象不受此限制，可以完全从对象布局中优化掉。

运行此代码
struct Base {}; // empty class
 
struct Derived1 : Base
{
    int i;
};
 
int main()
{
    // the size of any object of empty class type is at least 1
    static_assert(sizeof(Base) >= 1);
 
    // empty base optimization applies
    static_assert(sizeof(Derived1) == sizeof(int));
}

如果某个空基类同时是第一个非静态数据成员的类型或其基类，则禁止空基类优化，因为同一类型的两个基类子对象在最派生类型的对象表示中必须具有不同的地址。

这种情况的一个典型例子是 std::reverse_iterator（派生自空基类 std::iterator）的朴素实现，它将其底层迭代器（也派生自 std::iterator）作为其第一个非静态数据成员。

运行此代码
struct Base {}; // empty class
 
struct Derived1 : Base
{
    int i;
};
 
struct Derived2 : Base
{
    Base c; // Base, occupies 1 byte, followed by padding for i
    int i;
};
 
struct Derived3 : Base
{
    Derived1 c; // derived from Base, occupies sizeof(int) bytes
    int i;
};
 
int main()
{
    // empty base optimization does not apply,
    // base occupies 1 byte, Base member occupies 1 byte
    // followed by 2 bytes of padding to satisfy int alignment requirements
    static_assert(sizeof(Derived2) == 2*sizeof(int));
 
    // empty base optimization does not apply,
    // base takes up at least 1 byte plus the padding
    // to satisfy alignment requirement of the first member (whose
    // alignment is the same as int)
    static_assert(sizeof(Derived3) == 3*sizeof(int));
}

如果存在多重继承，则具体的优化是编译器特定的。

  • 在 MSVC 中，空基类优化仅应用于最后一个空基类，其余空基类不应用空基类优化，并分配一个字节。
  • 在 GCC 中，无论有多少空基类，空基类都应用空基类优化，不分配任何空间，并且空基类的地址与派生类对象的第一个地址相同。

对于标准布局类型，空基类优化是必需的，以保持通过 reinterpret_cast 转换的标准布局对象的指针指向其初始成员的要求，这就是为什么标准布局类型的要求包括“所有非静态数据成员都声明在同一个类中（要么都在派生类中，要么都在某个基类中）”和“没有与第一个非静态数据成员类型相同的基类”。

 (C++11 起)

如果空成员子对象使用属性 [[no_unique_address]]，则允许它们像空基类一样被优化掉。获取此类成员的地址可能会导致该地址等于同一对象的其他某个成员的地址。

运行此代码
struct Empty {}; // empty class
 
struct X
{
    int i;
    [[no_unique_address]] Empty e;
};
 
int main()
{
    // the size of any object of empty class type is at least 1
    static_assert(sizeof(Empty) >= 1);
 
    // empty member optimized out:
    static_assert(sizeof(X) == sizeof(int));
}
 (C++20 起)

[编辑] 注意

空基类优化通常被支持分配器的标准库类（std::vector、std::function、std::shared_ptr 等）使用，以避免在其分配器是无状态时为分配器成员占用任何额外存储。这是通过将其中一个必需的数据成员（例如，vector 的 begin、end 或 capacity 指针）存储在与分配器等价的 boost::compressed_pair 中来实现的。

[编辑] 参考

  • C++23 标准 (ISO/IEC 14882:2024)
  • 7.6.10 相等运算符 [expr.eq]
  • 7.6.2.5 Sizeof [expr.sizeof]
  • 11 类 [class]
  • 11.4 类成员 [class.mem]
  • C++20 标准 (ISO/IEC 14882:2020)
  • 7.6.10 相等运算符 [expr.eq]
  • 7.6.2.4 Sizeof [expr.sizeof]
  • 11 类 [class]
  • 11.4 类成员 [class.mem]
  • C++17 标准 (ISO/IEC 14882:2017)
  • 8.10 相等运算符 [expr.eq]
  • 8.3.3 Sizeof [expr.sizeof]
  • 12 类 [class]
  • 12.2 类成员 [class.mem]
  • C++14 标准 (ISO/IEC 14882:2014)
  • 5.10 相等运算符 [expr.eq]
  • 5.3.3 Sizeof [expr.sizeof]
  • 9 类 [class]
  • 9.2 类成员 [class.mem]
  • C++11 标准 (ISO/IEC 14882:2011)
  • 5.10 相等运算符 [expr.eq] (p: 2)
  • 5.3.3 Sizeof [expr.sizeof] (p: 2)
  • 9 类 [class] (p: 4,7)
  • 9.2 类成员 [class.mem] (p: 20)
  • C++98 标准 (ISO/IEC 14882:1998)
  • 5.10 相等运算符 [expr.eq] (p: 2)
  • 5.3.3 Sizeof [expr.sizeof] (p: 2)
  • 9 类 [class] (p: 3)

[编辑] 外部链接

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