Question

我想知道一种可能的方法，使类的内存布局在模板化代码中更有效。据我所知，标准要求一个类的数据成员按照其声明的顺序在内存中进行布局。编译器可能会执行填充以使数据成员对齐，从而不必要地增加类的大小。我们的想法是在编译时重新安排数据成员声明，以最小化这种填充。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，这与我看到的不完全相同）。

首先，请考虑以下（琐碎，但重复和丑陋）代码（same code on ideone.com）（问题在代码下面，可以随意跳到它们）：

#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);
}

节目输出：

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

问题：

是否有一些众所周知的，与编译器无关的解决方法（Boost，也许）？
如果不是，是否有一些特定于编译器的指令会自动执行此类操作（没有像GCC的__atribute__((packed))那样的数据错位）？
这可以用更通用的方式完成（可能使用可变参数模板）吗？

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，所以我会向后呈现它，这样你就可以先得到它的要点。

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如何打包元素只会影响Indexed的定义方式，因此您可以轻松改进算法。现在，我将提供相当于您的模板。

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。

<强>予。生成指数。

可以在the lounge上找到解释，我们可以重复使用它来生成一对对（类型，索引）。要对它进行排序，我们将使用MPL算法，因此将包生成为MPL vector更为简单。

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>;

<强> II。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
>;

<强> III。计算存储类

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

template <typename T>
struct TupleFirstExtractor;

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

<强> 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> {};

<强>诉全部放在一起

现在我们连接所有内容：

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：我建议使用专门的命名空间来保存所有帮助程序。虽然可以在模板中定义它们，但更容易在外部定义它们，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。 < / p>

Answer 2

看看R. Martinho Fernandes的这一系列博客文章：http://flamingdangerzone.com/cxx11/2012/07/06/optimal-tuple-i.html。

它概述了元组的最佳打包。您可以使用这样的“打包”元组作为您的类的数据存储，并提供隐藏get<0>()样式元组元素访问的访问器。

编译时重新安排数据成员？

2 个答案: