使用 std::aligned_union 和 std::aligned_union 进行小缓冲区优化的别名

Question

我正在研究针对std::function-like 对象的小缓冲区优化。

Boost 像这样为boost::function 实现小缓冲区：

union function_buffer
{
    mutable void* obj_ptr;
    struct type_t {
      const detail::sp_typeinfo* type;
      bool const_qualified;
      bool volatile_qualified;
    } type;

    mutable void (*func_ptr)();

    struct bound_memfunc_ptr_t {
      void (X::*memfunc_ptr)(int);
      void* obj_ptr;
    } bound_memfunc_ptr;

    struct obj_ref_t {
      mutable void* obj_ptr;
      bool is_const_qualified;
      bool is_volatile_qualified;
    } obj_ref;

    // To relax aliasing constraints
    mutable char data;
  };

并且做如下事情：

new (reinterpret_cast<void*>(&out_buffer.data)) functor_type(*in_functor);

此外，C++11 提供了std::aligned_union 和std::aligned_storage which seems suitable for this。前者给出了一个类型：

适合用作任何对象的未初始化存储 size 最多为Len，其对齐方式是Align的除数

我很想使用类似的东西：

class MyFunction {
private:
  typename std::aligned_storage<something>::type buffer;
  MyFunctionVtable* vtable; 
public:
  template<class F>
  MyFunction(F f)
  {
    static_assert(sizeof(F) <= sizeof(buffer) &&
      alignof(F) <= alignof(buffer), "Type not suitable");
    new (&buffer) F(std::move(f));
    vtable = ...;
  }
  // [...]
};

这（或 boost 实现）不会破坏类型别名规则，为什么？我倾向于认为存在会引发不自信行为的陷阱。

作为参考，C++ 标准中的注释给出了aligned_storage 的典型实现：

template <std::size_t Len, std::size_t Alignment>
struct aligned_storage {
  typedef struct {
    alignas(Alignment) unsigned char __data[Len];
  } type;
};

在感觉上类似于 boost 版本，两者都依赖 char 来“启用”别名。

std::aligned_union<>::type 呢？使用未明确列出的类型是否安全？

Answer 1

第一个近似值，当您使用一种类型写入存储位置并使用另一种类型读取时，会发生别名，这些类型都不是窄字符类型（char，signed char , unsigned char)。

如果 Boost 实现在任何时候使用一个成员写入 function_buffer，然后读取另一个成员，则它是不安全的，除非其中一个成员是 data。 data 成员被注释为 // To relax aliasing constraints 的事实可能表明 Boost 开发人员认为他们可以欺骗编译器，使其不注意到别名违规。

您提出的std::aligned_storage 或std::aligned_union 解决方案是一个很好的解决方案，只要您的vtable 仅通过在您的placement-new 表达式new (&buffer) F(std::move(f)); 中写入时使用的类型进行读取，因此可以编写reinterpret_cast<F*>(&buffer) 并将生成的表达式用作F* 类型的对象，指向F 类型的对象。

使用std::aligned_union 可以放置新的任何具有较小尺寸和对齐要求的类型。使用 static_assert 明确说明这一点通常是个好主意：

static_assert(sizeof(F) <= sizeof(buffer));
static_assert(alignof(F) <= alignof(buffer));
// OK to proceed
new (&buffer) F(std::move(f));