空基类优化empty base class optimization

1、为什么C++中不允许类的大小是0

class ZeroSizeT {};
ZeroSizeT z[10];
&z[i] - &z[j];

一般是用两个地址之间的字节数除以类型大小而得到的，而类型大小是0将会出问题

2、为什么有时多个类组成实例所占空间都是一样的

class Empty
{ };

class EmptyToo : public Empty
{ };

class EmptyThree : public EmptyToo
{ };

sizeof(Empty) : 1
sizeof(EmptyToo) : 1
sizeof(EmptyThree) : 1

空基类优化：只要不会与同一类型的另一个对象或子对象分配在同一地址，就不需要为其分配空间

1、为什么C++中不允许类的大小是0

class ZeroSizeT {};
ZeroSizeT z[10];
&z[i] - &z[j];

一般是用两个地址之间的字节数除以类型大小而得到的，而类型大小是0将会出问题

2、为什么有时多个类组成实例所占空间都是一样的

class Empty
{ };

class EmptyToo : public Empty
{ };

class EmptyThree : public EmptyToo
{ };

sizeof(Empty) : 1
sizeof(EmptyToo) : 1
sizeof(EmptyThree) : 1

空基类优化：只要不会与同一类型的另一个对象或子对象分配在同一地址，就不需要为其分配空间。

3、对于空基类优化，如何理解前提条件“只要不会与同一类型的另一个对象或子对象分配在同一地址”，以及why

class Empty
{ };

class EmptyToo : public Empty
{ };

class EmptyThree : public Empty, public EmptyToo
{ };

sizeof(Empty) : 1
sizeof(EmptyToo) : 1
sizeof(EmptyThree) : 2

NoEmpty的基类Empty和EmptyToo不能分配在同一地址空间，C++内存布局不允许相同类型的子对象偏移量相同。

对空基类优化进行限制的根本原因在于，我们需要能比较两个指针是否指向同一对象。由于指针几乎总是用地址作内部表示，因此必须保证两个不同的地址对应两个不同的对象。

更详细的：http://www.programlife.net/the-empty-base-class-optimization.html

附：

关于空基类优化的应用：在《C++ Templates The Complete Guide》e_CN的p_435中关于函数对象的组合问题，使用空基类优化的特性，将组合关系改成了继承关系。


What is empty class and why worth optimization

Empty class顾名思义就是空类，比如

[cpp] view plaincopyprint?

  1. class empty {};

这里empty显然是一个空类，什么成员都没有。但是空类不限于这种形式，对于只有成员函数，并且没有non-static data member的类，也可以是空类。

[cpp] view plaincopyprint?

  1. class empty
  2. {
  3. public:
  4. static void f();
  5. void f();
  6. };
  7. class empty_too : public empty {};
但是有一点需要注意，如果一个类或者他的基类中包含虚函数，那么该类就不是empty class，因为通常一个含有虚函数的类，都有一个vptr，所以就有了数据成员，虽然是隐藏的。 

对于父类是虚基类的情况也是一样，因为一般子类需要一个指针指向虚基类的子对象。

对于一个空类，它的大小不是0，因为如果是0，那么两个对象就会拥有相同的地址，这样就无法简单用地址区分两个对象了。通常一个空类的大小可能是1，也可能是4，这取决于编译器。

如果一个类，它包含空类成员子对象，那么这就会造成一定的空间浪费，而这个浪费是可以避免的，因为有些编译器实现了一种称为empty base class optimization的优化。

标准中提到了这种优化：

10/5 Derived classes

A base class subobject may be of zero size (clause 9); however, two subobjects that have the same class type and that belong to the same most derived object must not be allocated at the same address (5.10).

基类子对象可以是大小为0的，但是限制是，两个相同类型的子对象不能分配在相同的地址上。所以技巧就是通过从空类来继承是实现一定的优化。

[cpp] view plaincopyprint?

  1. class empty1 {};
  2. class empty2 {};
  3. class non_empty1
  4. {
  5. public:
  6. empty1 o1;
  7. empty2 o2;
  8. };
  9. class non_empty2
  10. : public empty1
  11. , public empty2
  12. {};
这里empty1,2是空类，通过继承，non_empty2的大小还是1。但是non_empty1的大小就是2。

需要注意的是，继承可能会带来对接口的影响，因为在泛型代码中，你不知道用户传入的类是否包含虚函数，如果包含虚函数，那么可能有一个与我们的类正好同名的虚函数，这样我们的函数就被虚化了。 
解决这个问题可以不直接从空类继承，而是创建一个中间类，并让这种类来继承空类，这样可以将影响限制在我们的中间类中。并将这个中间类的对象作为成员保存。

[cpp] view plaincopyprint?

  1. class empty {};
  2. class foo : public empty {}; // not always correct
  3. class foo
  4. {
  5. class bar : public empty {};
  6. // ok, the interface of foo is not affected by the inheritance from empty;
  7. };
在stl中，大量用到了函数对象，并且有许多函数对象是空的，如果大量存储这些函数对象也是会造成一定的浪费的（为什么要存储？假设一下，哈哈）。

在《C++ template metaprogramming》中有这样一个例子：有一个类，实现一个简单的复合函数f(g(x))

[cpp] view plaincopyprint?

  1. template<typename R, typename F, typename G>
  2. class composed_fg
  3. {
  4. public:
  5. composed_fg(const F& f, const G& g)
  6. : f(f)
  7. , g(g)
  8. {}
  9. template<typename T>
  10. R operator ()(const T& t) const
  11. {
  12. return f(g(t));
  13. }
  14. private:
  15. F f;
  16. G g;
  17. };
这里如果f或者g是空类，那么就会造成空间的浪费，视编译器而定，composed_fg最多可能会在32-bit平台上占用8字节。但是我们进行空基类优化，当f或者g中有空基类时，我们选择不同的实现。 

boost.compressed_pair就实现了一个优化过的std.pair，我们来分析一下boost.compressed_pair的实现。

compressed_pair根据T1, T2的类型，来选择不同的实现，有6种情况

T1 == T2 T1 empty T2 empty
false false false
false true false
false false true
false true true
true false false
true true true

其中区分T1==T2是因为，C++不允许有2个相同的直接基类。

What is empty class and why worth optimization
Empty class顾名思义就是空类，比如
[cpp] view plaincopyprint?
class empty {};
这里empty显然是一个空类，什么成员都没有。但是空类不限于这种形式，对于只有成员函数，并且没有non-static data member的类，也可以是空类。
[cpp] view plaincopyprint?
class empty
{
public:
    static void f();
    void f();
};  

class empty_too : public empty {};
但是有一点需要注意，如果一个类或者他的基类中包含虚函数，那么该类就不是empty class，因为通常一个含有虚函数的类，都有一个vptr，所以就有了数据成员，虽然是隐藏的。
对于父类是虚基类的情况也是一样，因为一般子类需要一个指针指向虚基类的子对象。
对于一个空类，它的大小不是0，因为如果是0，那么两个对象就会拥有相同的地址，这样就无法简单用地址区分两个对象了。通常一个空类的大小可能是1，也可能是4，这取决于编译器。
如果一个类，它包含空类成员子对象，那么这就会造成一定的空间浪费，而这个浪费是可以避免的，因为有些编译器实现了一种称为empty base class optimization的优化。
标准中提到了这种优化：
10/5 Derived classes
A base class subobject may be of zero size (clause 9); however, two subobjects that have the same class type and that belong to the same most derived object must not be allocated at the same address (5.10).
基类子对象可以是大小为0的，但是限制是，两个相同类型的子对象不能分配在相同的地址上。所以技巧就是通过从空类来继承是实现一定的优化。
[cpp] view plaincopyprint?
class empty1 {};
class empty2 {};  

class non_empty1
{
public:
    empty1 o1;
    empty2 o2;
};  

class non_empty2
    : public empty1
    , public empty2
{};
这里empty1,2是空类，通过继承，non_empty2的大小还是1。但是non_empty1的大小就是2。
需要注意的是，继承可能会带来对接口的影响，因为在泛型代码中，你不知道用户传入的类是否包含虚函数，如果包含虚函数，那么可能有一个与我们的类正好同名的虚函数，这样我们的函数就被虚化了。
解决这个问题可以不直接从空类继承，而是创建一个中间类，并让这种类来继承空类，这样可以将影响限制在我们的中间类中。并将这个中间类的对象作为成员保存。
[cpp] view plaincopyprint?
class empty {};
class foo : public empty {}; // not always correct  

class foo
{
    class bar : public empty {};
    // ok, the interface of foo is not affected by the inheritance from empty;
};
在stl中，大量用到了函数对象，并且有许多函数对象是空的，如果大量存储这些函数对象也是会造成一定的浪费的（为什么要存储？假设一下，哈哈）。
在《C++ template metaprogramming》中有这样一个例子：有一个类，实现一个简单的复合函数f(g(x))
[cpp] view plaincopyprint?
template<typename R, typename F, typename G>
class composed_fg
{
public:
    composed_fg(const F& f, const G& g)
        : f(f)
        , g(g)
    {}  

    template<typename T>
    R operator ()(const T& t) const
    {
        return f(g(t));
    }
private:
    F f;
    G g;
};
这里如果f或者g是空类，那么就会造成空间的浪费，视编译器而定，composed_fg最多可能会在32-bit平台上占用8字节。但是我们进行空基类优化，当f或者g中有空基类时，我们选择不同的实现。
boost.compressed_pair就实现了一个优化过的std.pair，我们来分析一下boost.compressed_pair的实现。
compressed_pair根据T1, T2的类型，来选择不同的实现，有6种情况
T1 == T2    T1 empty    T2 empty
false    false    false
false    true    false
false    false    true
false    true    true
true    false    false
true    true    true
其中区分T1==T2是因为，C++不允许有2个相同的直接基类。
这个是T1和T2都不为空的情况，这里只是简单地在对象中保存了2个成员对象。再来看一下其中一个为空的情况。
template <class T1, class T2>
class compressed_pair_imp<T1, T2, 1>
    : protected ::boost::remove_cv<T1>::type
{
public:
    typedef T1                                                 first_type;
    typedef T2                                                 second_type;
    typedef typename call_traits<first_type>::param_type       first_param_type;
    typedef typename call_traits<second_type>::param_type      second_param_type;
    typedef typename call_traits<first_type>::reference        first_reference;
    typedef typename call_traits<second_type>::reference       second_reference;
    typedef typename call_traits<first_type>::const_reference  first_const_reference;
    typedef typename call_traits<second_type>::const_reference second_const_reference;

    compressed_pair_imp() {}

    compressed_pair_imp(first_param_type x, second_param_type y)
        : first_type(x), second_(y) {}

    compressed_pair_imp(first_param_type x)
        : first_type(x) {}

    compressed_pair_imp(second_param_type y)
        : second_(y) {}

    void swap(::boost::compressed_pair<T1,T2>& y)
    {
        // no need to swap empty base class:
        cp_swap(second_, y.second());
    }
private:
    second_type second_;
};

这里T1为空，compressed_pair从T1继承了，然而T2还是作为成员保存起来了。还有一点变化就是swap中，只对second进行了操作，很显然，因为T1子对象是空的，swap没有意义。 
其他的情况类似了，所以可以自己去看boost的源码。

Side Note

VC中存在对Empty base class过度优化的情况，对于2个相同类型基类子对象的情况，在g++中，会生成2个字节大小的对象，而VC中只是1个字节的大小。

References

[1] The "Empty Member" C++ Optimization 
[2] Empty Base Class or Structure Assignment Operator May Corrupt Data 
[3] Understanding the Empty Base Optimization 
[4] 《C++ template metaprogramming》 
[5] Why is the size of an empty class not zero?

参考：http://blog.csdn.net/seizef/article/details/6168721

http://www.cppblog.com/qinqing1984/archive/2011/07/10/150584.aspx

时间： 2024-08-25 16:07:09

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