空子对象优化

Question

我看到了 1997 年的文章，The "Empty Member" C++ Optimization，作者是 Nathan C. Meyers，其中讨论了将 STL 分配器等空对象“存储”为成员结构的基类的方法。他在最后顺便提到：

再次更新：根据编译器必须遵守的 ABI 规范，可以进行一系列相关的“空子对象”优化。 （几年前，Jason Merrill 向我指出了其中的一些。）例如，考虑（空）类型 A、B 和 C 的三个结构成员，以及第四个非空的结构成员。它们可以一致地占据相同的地址，只要它们彼此之间或与包含类没有任何共同的基数。实践中的一个常见问题是让一个类的第一个（或唯一一个）成员派生自与该类相同的空基。编译器必须插入填充，以便它们两个子对象具有不同的地址。这实际上发生在具有 interator 成员的迭代器适配器中，两者都派生自 std::iterator。一个不小心实现的标准 std::reverse_iterator 可能会出现这个问题。

有人可以用一个具体的例子来描述这个吗？我遗漏了一些东西。 Here's what I tried in Compiler Explorer:

#include <stdint.h>

typedef struct
{
    struct {} nothing;
    int16_t x;
    int16_t y;
} STRUCT_C;

typedef struct
{
    struct {} nothing_a;
    struct {} nothing_b;
    int16_t x;
    int16_t y;
} STRUCT_D;

typedef struct {} NOTHING_A;
typedef struct {} NOTHING_B;

typedef struct
{
    struct M : public NOTHING_A, NOTHING_B {
        int16_t x;
    } m;
    int16_t y;
} STRUCT_E;

int doit3(STRUCT_C *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->x;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

int doit4(STRUCT_D *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->x;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

int doit4a(STRUCT_D *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->nothing_a;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

int doit4b(STRUCT_D *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->nothing_b;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

int doit5a(STRUCT_E *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->m.x;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

int doit5b(STRUCT_E *p)
{
    void *addr1 = p;
    void *addr2 = &p->y;
    return (int)((uint8_t *)addr2 - (uint8_t *)addr1);
}

从 clang 10.0.0 和 gcc 9.3 生成（xor eax, eax 在 x86-64 上生成 0）：

doit3(STRUCT_C*):
        mov     eax, 2
        ret
doit4(STRUCT_D*):
        mov     eax, 2
        ret
doit4a(STRUCT_D*):
        xor     eax, eax
        ret
doit4b(STRUCT_D*):
        mov     eax, 1
        ret
doit5a(STRUCT_E*):
        xor     eax, eax
        ret
doit5b(STRUCT_E*):
        mov     eax, 2
        ret

这反映了我对 C++ 标准的理解，即空基类优化允许编译器不为空基类分配空间，但所有成员对象至少需要 1 个字节的空间以确保它们具有唯一的地址。 （并且编译器有对齐约束，如STRUCT_C，其中nothing 成员只需要1 个字节，但x 的偏移量是2 个字节）

Nathan Meyers 在他的“更新”中试图提出什么建议？

Answer 1

据我了解，在您的情况下，这意味着所有nothing_a、nothing_b 和x 都可以具有相同的地址，因为nothing_a 和nothing_b 都是空的并且没有共同的基类，所以没有两个相同类型的单独对象具有相同的地址。