c++ - 数据成员的编译时重新安排？

Question

我想知道一种可能的方法使类的内存布局在模板代码中更有效。据我所知，标准要求类的数据成员按照声明的顺序排列在内存中。编译器可能会进行填充，以对齐不必要地添加到类大小的数据成员。这个想法是在编译时重新安排数据成员声明，​​以尽量减少这种填充。我做了一些搜索，但找不到任何信息(大多数时候人们讨论打包编译器指令，这与我看到的不太一样)。

首先，请考虑以下(琐碎但重复且丑陋的)代码 ( same code on ideone.com )(问题在代码下方，请随时跳到它们):

#include <iostream>
#include <cstdint>

namespace so
{
template <typename Ta, typename Tb, typename Tc, std::size_t =
    ((sizeof(Ta) >= sizeof(Tb)) && (sizeof(Tb) >= sizeof(Tc))) ? 10 :
    ((sizeof(Ta) >= sizeof(Tc)) && (sizeof(Tc) >= sizeof(Tb))) ? 11 :
    ((sizeof(Tb) >= sizeof(Ta)) && (sizeof(Ta) >= sizeof(Tc))) ? 20 :
    ((sizeof(Tb) >= sizeof(Tc)) && (sizeof(Tc) >= sizeof(Ta))) ? 21 :
    ((sizeof(Tc) >= sizeof(Ta)) && (sizeof(Ta) >= sizeof(Tb))) ? 30 :
    ((sizeof(Tc) >= sizeof(Tb)) && (sizeof(Tb) >= sizeof(Ta))) ? 31 : 0>
struct foo {};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 10>
{
  Ta a;
  Tb b;
  Tc c;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : a{_a}, b{_b}, c{_c} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 11>
{
  Ta a;
  Tc c;
  Tb b;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : a{_a}, c{_c}, b{_b} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 20>
{
  Tb b;
  Ta a;
  Tc c;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : b{_b}, a{_a}, c{_c} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 21>
{
  Tb b;
  Tc c;
  Ta a;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : b{_b}, c{_c}, a{_a} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 30>
{
  Tc c;
  Ta a;
  Tb b;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : c{_c}, a{_a}, b{_b} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foo<Ta, Tb, Tc, 31>
{
  Tc c;
  Tb b;
  Ta a;
  foo(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : c{_c}, b{_b}, a{_a} {}
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct bar: public foo<Ta, Tb, Tc>
{
 private:
  using base = foo<Ta, Tb, Tc>;
 public:
  bar() = default;
  using base::base;
};

template <typename Ta, typename Tb, typename Tc>
struct foobar
{
  Ta a;
  Tb b;
  Tc c;
  foobar() = default;
  foobar(Ta _a, Tb _b, Tc _c) : a{_a}, b{_b}, c{_c} {}
};
} //namespace so

int main()
{
 so::bar<std::uint16_t, std::uint32_t, std::uint16_t> bar{1, 2, 3};
 so::foobar<std::uint16_t, std::uint32_t, std::uint16_t> foobar{1, 2, 3};

 std::cout << sizeof(bar) << "\t" << sizeof(foobar) << std::endl;

 std::cout << bar.a << " : " << bar.b << " : " << bar.c << std::endl;
 std::cout << foobar.a << " : " << foobar.b << " : " << foobar.c << std::endl;

 return (0);
}

程序输出:

8   12
1 : 2 : 3
1 : 2 : 3

问题:

1. 是否有一些众所周知的、独立于编译器的方法来解决此类问题(可能是 Boost)？
2. 如果不是，是否有一些特定于编译器的指令可以自动执行此类操作(不会像 GCC 的 __atribute__((packed)) 那样发生数据错位)？
3. 能否以更通用的方式完成(可能使用可变参数模板)？

提前致谢!

Answer 1

我相信我有一个相对简单的可变参数模板解决方案。

虽然实现需要几个助手，所以我将向后展示它，以便您首先了解它的要点。

template <typename... Args>
class OptimizedLayout {
public:
    template <size_t I>
    auto at() -> decltype(std::get<Index<I>::value>(_storage)) {
        return std::get<Index<I>::value>(_storage);
    }

    template <size_t I>
    auto at() const -> decltype(std::get<Index<I>::value>(_storage)) {
        return std::get<Index<I>::value>(_storage);
    }

private:
    using Indexed = /**/; // pairs of sorted Args (by decreasing size)
                          // and their original index in the argument list

    using Storage = /*std::tuple<Indexed.first ...>*/;

    template <size_t I>
    using Index = /*index of element of Indexed whose .second is I*/;

    Storage _storage;
}; // class OptimizedLayout

这里的主要好处是更改元素打包方式只会影响 Indexed 的定义方式，因此您可以轻松改进算法。现在，我将只提供与您的模板等效的内容。

---

免责声明:以下代码未经测试，甚至可能无法编译，更不用说产生正确的结果了。

我。生成索引。

解释可以在the lounge上找到，我们可以重用它来生成一对(类型，索引)。为了对其进行排序，我们将使用 MPL 算法，因此将包生成为 MPL vector 会更简单。 .

template <std::size_t... Is>
struct indices {};

template <std::size_t N, std::size_t... Is>
struct build_indices
  : build_indices<N-1, N-1, Is...> {};

template <std::size_t... Is>
struct build_indices<0, Is...> { using type = indices<Is...>; };

template <typename Tuple, typename Indices>
struct IndexedImpl;

template <typename... T, size_t... I>
struct IndexedImpl< std::tuple<T...>, indices<I...> > {
    using type = boost::mpl::vector< std::pair<T, I>... >;
};

template <typename Tuple>
using Indexed =
    IndexedImpl<Tuple, typename build_indices<std::tuple_size<Tuple>::value>::type>;

二。排序

为了排序，我们将使用 MPL sort algorithm ，它对类型进行操作。

struct GreaterSize {
    template <typename T, typename U>
    struct apply {
         using type = boost::mpl::bool_<sizeof(T) > sizeof(U)>;
    };
};

template <typename T>
struct TupleInserter {
    using state = T;

    template <typename Seq, typename E>
    struct apply;
};

template <typename T>
template <typename... Args, typename E>
struct TupleInserter<T>::apply<std::tuple<Args...>, E> {
    using type = std::tuple<Args..., E>;
};

template <typename Tuple>
using SortedSequence = boost::mpl::sort<
    typename Indexed<Tuple>::type,
    GreaterSize,
    TupleInserter
>;

III.计算存储类

现在，我们只需要计算存储类，这是通过提取每对的第一个元素来完成的。有趣的是，模式匹配在这里确实可以提供帮助。

template <typename T>
struct TupleFirstExtractor;

template <typename... T, size_t... I>
struct TupleFirstExtractor<std::tuple<std::pair<T, I>...>> {
    using type = std::tuple<T...>;
}; 

IV.计算索引求解器

template <typename Tuple, size_t Needle, size_t Acc>
struct IndexFinderImpl;

template <typename H, size_t h, typename... Tail, size_t Needle, size_t Acc>
struct IndexFinderImpl<std::tuple<std::pair<H,h>, Tail...>, Needle, Acc>:
    IndexFinderImpl<std::tuple<Tail...>, Needle, Acc+1> {};

template <typename H, typename... Tail, size_t Needle, size_t Acc>
struct IndexFinderImpl<std::tuple<std::pair<H, Needle>, Tail...>, Needle, Acc>:
    std::integral_constant<size_t, Acc> {};

V.把它们放在一起

现在我们连接一切:

template <typename... Args>
class OptimizedLayout {
public:
    template <size_t I>
    auto at() -> decltype(std::get<Index<I>::value>(_storage)) {
        return std::get<Index<I>::value>(_storage);
    }

    template <size_t I>
    auto at() const -> decltype(std::get<Index<I>::value>(_storage)) {
        return std::get<Index<I>::value>(_storage);
    }

private:
    using Indexed = typename SortedSequence<std::tuple<Args...>>::type;

    using Storage = typename TupleFirstExtractor<Indexed>::type;

    template <size_t I>
    using Index = IndexFinderImpl<Indexed, I, 0>;

    Storage _storage;
}; // class OptimizedLayout

提示:我建议使用专门的 namespace 来容纳所有助手。虽然它们可以在模板内定义，但在外部定义它们更容易，因为它们不依赖于 Args...，但是您需要将它们隔离以避免与程序的其他部分发生冲突.