odr使用的空类的优化

optimization for ODR-used empty classes

本文关键字：优化 odr      更新时间：2023-10-16

现在的许多c++代码都倾向于在很大程度上加载模板。它们是库:STL、Boost。精神,提振。MPL等等等。它们鼓励用户在表单中声明功能对象struct S { /* presence of non-virtual member functions and operators, but absense of non-static data members or non-empty base classes */ }; S const s{};。它们中的大多数是无状态的(即static_assert(std::is_empty< S >{});持有)。对于它们中的那些，这是odr使用的，不管它们的空data部分的文件增长1字节(sizeof(S) == 1为空类型S，因为所有的地址为必然分配的对象应该是不同的)。即使在Boost的简单语法中。精神有很多这样的odr使用的空类。但是为他们保留空间是绝对没有意义的。

我尝试使用以下代码(-Ofast)在coliru上测试clang:

#include <utility>
#include <type_traits>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
template< std::size_t index >
struct S {};
namespace
{
template< std::size_t index >
S< index > value = {};
}
template< typename lhs, typename rhs >
std::ptrdiff_t
diff(lhs & l, rhs & r)
{
    return (static_cast< char * >(static_cast< void * >(&r)) - static_cast< char * >(static_cast< void * >(&l)));
}
template< std::size_t base, std::size_t ...indices >
std::ptrdiff_t
bss_check(std::index_sequence< indices... >)
{
    return (diff(value< (base + indices) >, value< (base + indices + 1) >) + ...); 
}
template< std::size_t size, std::size_t base >
bool
enumerate()
{
    return (bss_check< base >(std::make_index_sequence< size >{}) + 1 == size);
}
template< std::size_t size, std::size_t ...bases >
bool
expand(std::index_sequence< bases... >)
{
    return (enumerate< size, (bases * size) >() && ...);
}
template< std::size_t size = 100, std::size_t count = size >
bool
check()
{
    return expand< size >(std::make_index_sequence< count >{});
}
int
main()
{
    static_assert(std::is_empty< S< 0 > >{});
    assert((check< DIM >()));
    return EXIT_SUCCESS;
}

并获得结果(size实用程序对DIM == 100的输出，即100 * 100个类):

   text    data     bss     dec     hex filename
 112724   10612       4  123340   1e1cc ./a.out

如果我将diff(lhs & l, rhs & r)的签名更改为diff(lhs l, rhs r)以抑制odr使用，那么结果是:

  text     data     bss     dec     hex filename
  69140     608       8   69756   1107c ./a.out

几乎等于(data节只关心)assert((check< DIM >()));行的简单注释情况(text节的主要部分是可预测的dce优化):

   text    data     bss     dec     hex filename
   1451     600       8    2059     80b ./a.out

因此，我得出结论，对于使用odr的空类没有优化。

对于显式指定的模板参数，可以使用简单的类型过滤器:

template< typename type >
using ref_or_value = std::conditional_t< std::is_empty< std::decay_t< type > >{}, std::decay_t< type >, type && >;

但在我看来，没有简单的解决方法来推导模板类型。

在现代编译器中是否有隐含的上述优化?是，如何启用?如果没有，是否有一种技术可以实现当前的预期行为?

我知道有时对象的地址会发出很多杂音，但在上述情况下并非如此。

我认为像变量或类型的属性(例如[[immaterial]])将是方便的。也许这样的属性(用于类)应该拒绝获得带属性类实例的地址的可能性(编译时硬错误)，或者操作符的地址&应该返回无意义的值(实现定义)。

c++ 17将添加内联变量来帮助解决N4424中解释的一些问题。它还解释了一些变通方法。对于全局函数对象，你可以这样定义它们:

// Sum function object
struct sum_f
{
    template<class T, class U>
    auto operator()(T x, U y) const
    {
        return x+y;
    }  
};
template<class T>
struct static_const_storage
{
    static constexpr T value = T();
};
template<class T>
constexpr T static_const_storage<T>::value;

template<class T>
constexpr const T& static_const()
{
    return static_const_storage<T>::value;
}
static constexpr auto& sum = static_const<sum_f>();

这使得sum函数对象在翻译单元中是唯一的，从而避免了膨胀和ODR冲突。然而，这种解决方法并不真正适用于模板变量，最好避免使用它们(如果你担心可执行文件膨胀)，直到我们在c++ 17中得到内联变量。

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