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

  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。

  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。

  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。

  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))

  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:
/ Derived classes
A base class subobject may be of zero size (clause ); 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, >
: 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.bubuko.com/infodetail-479676.html

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

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