c++ - 使用原始存储时如何模​​拟 EBO？

Question

在实现存储任意类型(可能是也可能不是类类型)对象的低级泛型类型时，我使用了一个组件，该组件可能为空以利用 empty base optimization :

template <typename T, unsigned Tag = 0, typename = void>
class ebo_storage {
  T item;
public:
  constexpr ebo_storage() = default;

  template <
    typename U,
    typename = std::enable_if_t<
      !std::is_same<ebo_storage, std::decay_t<U>>::value
    >
  > constexpr ebo_storage(U&& u)
    noexcept(std::is_nothrow_constructible<T,U>::value) :
    item(std::forward<U>(u)) {}

  T& get() & noexcept { return item; }
  constexpr const T& get() const& noexcept { return item; }
  T&& get() && noexcept { return std::move(item); }
};

template <typename T, unsigned Tag>
class ebo_storage<
  T, Tag, std::enable_if_t<std::is_class<T>::value>
> : private T {
public:
  using T::T;

  constexpr ebo_storage() = default;
  constexpr ebo_storage(const T& t) : T(t) {}
  constexpr ebo_storage(T&& t) : T(std::move(t)) {}

  T& get() & noexcept { return *this; }
  constexpr const T& get() const& noexcept { return *this; }
  T&& get() && noexcept { return std::move(*this); }
};

template <typename T, typename U>
class compressed_pair : ebo_storage<T, 0>,
                        ebo_storage<U, 1> {
  using first_t = ebo_storage<T, 0>;
  using second_t = ebo_storage<U, 1>;
public:
  T& first() { return first_t::get(); }
  U& second() { return second_t::get(); }
  // ...
};

template <typename, typename...> class tuple_;
template <std::size_t...Is, typename...Ts>
class tuple_<std::index_sequence<Is...>, Ts...> :
  ebo_storage<Ts, Is>... {
  // ...
};

template <typename...Ts>
using tuple = tuple_<std::index_sequence_for<Ts...>, Ts...>;

最近我一直在搞乱无锁数据结构，我需要可以选择包含实时数据的节点。一旦分配，节点在数据结构的整个生命周期内都存在，但包含的数据仅在节点处于事件状态时才处于事件状态，而在节点位于空闲列表中时则不存在。我使用原始存储和放置 new 实现了节点:

template <typename T>
class raw_container {
  alignas(T) unsigned char space_[sizeof(T)];
public:
  T& data() noexcept {
    return reinterpret_cast<T&>(space_);
  }
  template <typename...Args>
  void construct(Args&&...args) {
    ::new(space_) T(std::forward<Args>(args)...);
  }
  void destruct() {
    data().~T();
  }
};

template <typename T>
struct list_node : public raw_container<T> {
  std::atomic<list_node*> next_;
};

这一切都很好，但在 T 时会浪费每个节点的指针大小的内存块为空:raw_storage<T>::space_ 的一个字节, 和 sizeof(std::atomic<list_node*>) - 1对齐的填充字节。最好利用 EBO 并分配 raw_container<T> 的未使用的单字节表示。顶上list_node::next_ .

我创建 raw_ebo_storage 的最佳尝试执行“手动”EBO:

template <typename T, typename = void>
struct alignas(T) raw_ebo_storage_base {
  unsigned char space_[sizeof(T)];
};

template <typename T>
struct alignas(T) raw_ebo_storage_base<
  T, std::enable_if_t<std::is_empty<T>::value>
> {};

template <typename T>
class raw_ebo_storage : private raw_ebo_storage_base<T> {
public:
  static_assert(std::is_standard_layout<raw_ebo_storage_base<T>>::value, "");
  static_assert(alignof(raw_ebo_storage_base<T>) % alignof(T) == 0, "");

  T& data() noexcept {
    return *static_cast<T*>(static_cast<void*>(
      static_cast<raw_ebo_storage_base<T>*>(this)
    ));
  }
};

有想要的效果:

template <typename T>
struct alignas(T) empty {};
static_assert(std::is_empty<raw_ebo_storage<empty<char>>>::value, "Good!");
static_assert(std::is_empty<raw_ebo_storage<empty<double>>>::value, "Good!");
template <typename T>
struct foo : raw_ebo_storage<empty<T>> { T c; };
static_assert(sizeof(foo<char>) == 1, "Good!");
static_assert(sizeof(foo<double>) == sizeof(double), "Good!");

但也有一些不良影响，我认为是由于违反了严格的别名 (3.10/10)，尽管“访问对象的存储值”的含义对于空类型是有争议的:

struct bar : raw_ebo_storage<empty<char>> { empty<char> e; };
static_assert(sizeof(bar) == 2, "NOT good: bar::e and bar::raw_ebo_storage::data() "
                                "are distinct objects of the same type with the "
                                "same address.");

此解决方案还可能在构造时出现未定义的行为。在某些时候，程序必须在原始存储中构造包含 new 的对象。 :

struct A : raw_ebo_storage<empty<char>> { int i; };
static_assert(sizeof(A) == sizeof(int), "");
A a;
a.value = 42;
::new(&a.get()) empty<char>{};
static_assert(sizeof(empty<char>) > 0, "");

回想一下，尽管是空的，但完整的对象必然具有非零大小。换句话说，一个空的完整对象具有一个由一个或多个填充字节组成的值表示。 new构造完整的对象，因此符合要求的实现可以在构造时将这些填充字节设置为任意值，而不是像构造空的基础子对象那样保持内存不变。如果这些填充字节覆盖其他事件对象，这当然是灾难性的。

所以问题是，是否有可能创建一个符合标准的容器类，对包含的对象使用原始存储/延迟初始化并且利用 EBO 来避免为表示浪费内存空间包含的对象？

Answer 1

我认为您在各种观察中自己给出了答案:

1. 您需要新的原始内存和布局。这需要至少有一个字节可用，即使您想通过placement new 构造一个空对象。
2. 您希望 零字节 开销来存储任何空对象。

这些要求是自相矛盾的。因此答案是否，这是不可能的。

不过，您可以通过仅对空的、普通的类型要求零字节开销来进一步更改您的要求。

你可以定义一个新的类特征，例如

template <typename T>
struct constructor_and_destructor_are_empty : std::false_type
{
};

然后你专攻

template <typename T, typename = void>
class raw_container;

template <typename T>
class raw_container<
    T,
    std::enable_if_t<
        std::is_empty<T>::value and
        std::is_trivial<T>::value>>
{
public:
  T& data() noexcept
  {
    return reinterpret_cast<T&>(*this);
  }
  void construct()
  {
    // do nothing
  }
  void destruct()
  {
    // do nothing
  }
};

template <typename T>
struct list_node : public raw_container<T>
{
  std::atomic<list_node*> next_;
};

然后像这样使用它:

using node = list_node<empty<char>>;
static_assert(sizeof(node) == sizeof(std::atomic<node*>), "Good");

当然，你还有

struct bar : raw_container<empty<char>> { empty<char> e; };
static_assert(sizeof(bar) == 1, "Yes, two objects sharing an address");

但这对 EBO 来说是正常的:

struct ebo1 : empty<char>, empty<usigned char> {};
static_assert(sizeof(ebo1) == 1, "Two object in one place");
struct ebo2 : empty<char> { char c; };
static_assert(sizeof(ebo2) == 1, "Two object in one place");

但只要您始终使用 construct 和 destruct 并且在 &data() 上没有放置新的位置，那么您就是黄金。