如何在使用原始存储时模拟EBO？

Question

我有一个我在实现低级泛型类型时使用的组件,它存储任意类型的对象(可能是也可能不是类类型),它可能是空的,以利用空基本优化:

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,我需要可选择包含实时数据的节点.一旦分配,节点就会在数据结构的生命周期中存在,但是包含的数据仅在节点处于活动状态时才存活,而不是在节点位于空闲列表中时.我使用原始存储和放置实现了节点new:

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_;
};

这是很好的和花花公子,但是当T空的时候每个节点浪费一个指针大小的内存块:一个字节用于对齐raw_storage<T>::space_,以及sizeof(std::atomic<list_node*>) - 1用于对齐的填充字节.利用EBO并分配raw_container<T>atop 的未使用的单字节表示会很好list_node::next_.

我最好的尝试创建一个raw_ebo_storage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)
    ));
  }
};

具有所需的效果:

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,我假设由于违反严格别名(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.");

该解决方案还可能在构造时出现未定义的行为.在某些时候,程序必须使用放置在原始存储中构建容器对象new:

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,但完整的对象必须具有非零大小.换句话说,空的完整对象具有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,而不是像构造空基础子对象那样保持内存不变.如果那些填充字节覆盖其他活动对象,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,它对所包含的对象使用原始存储/延迟初始化,并利用EBO来避免浪费内存空间来表示所包含的对象？

Answer 1

我想你自己在各种观察中已经给​​出了答案：

1. 您需要原始内存和新的布局。这要求至少有一个可用字节，即使您想通过放置 new 构造一个空对象。
2. 您希望存储任何空对象的字节开销为零。

这些要求是自相矛盾的。因此答案是否定的，这是不可能的。

不过，您可以稍微改变一下您的要求，只要求空的、简单的类型具有零字节开销。

您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");

但这对于 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");

但只要你总是使用construct并且destruct没有新的展示位置&data()，你就是黄金。