std ::元組和標準佈局

Question

如果std::tuple的所有成員都是standard layout types，那std::tuple本身是標準的佈局嗎？用戶定義的拷貝構造函數的存在使得它不是微不足道的，但我想知道它是否仍然是標準佈局。

來自規格的報價是很好的。

Answer 1

不，標準佈局要求所有非靜態數據成員都屬於一個基本子對象或直接屬於最大派生類型，std::tuple的典型實現爲每個基類實現一個成員。

由於會員聲明不能是包擴展，根據上述要求，標準佈局tuple不能有多個成員。通過將所有tuple「成員」存儲在一個char[]中，並通過reinterpret_cast獲得對象引用，實現仍然可以迴避該問題。元程序必須生成類佈局。特殊成員函數將不得不重新實現。這將是一個非常痛苦的事情。

Answer 2

受PotatoSwatter回答的啓發，我專門爲C++ 14創建了一個標準佈局元組。

該代碼實際工作，，但目前不適合使用，因爲它涉及未定義的行爲。把它當作一個概念驗證。 這是我結束了與代碼：

#include <iostream> 
#include <type_traits> 
#include <array> 
#include <utility> 
#include <tuple> 

//get_size 
template <typename T_head> 
constexpr size_t get_size() 
{ 
    return sizeof(T_head); 
} 

template <typename T_head, typename T_second, typename... T_tail> 
constexpr size_t get_size() 
{ 
    return get_size<T_head>() + get_size<T_second, T_tail...>(); 
} 


//concat 
template<size_t N1, size_t... I1, size_t N2, size_t... I2> 
constexpr std::array<size_t, N1+N2> concat(const std::array<size_t, N1>& a1, const std::array<size_t, N2>& a2, std::index_sequence<I1...>, std::index_sequence<I2...>) 
{ 
    return { a1[I1]..., a2[I2]... }; 
} 

template<size_t N1, size_t N2> 
constexpr std::array<size_t, N1+N2> concat(const std::array<size_t, N1>& a1, const std::array<size_t, N2>& a2) 
{ 
    return concat(a1, a2, std::make_index_sequence<N1>{}, std::make_index_sequence<N2>{}); 
} 


//make_index_array 
template<size_t T_offset, typename T_head> 
constexpr std::array<size_t, 1> make_index_array() 
{ 
    return {T_offset}; 
} 

template<size_t T_offset, typename T_head, typename T_Second, typename... T_tail> 
constexpr std::array<size_t, (sizeof...(T_tail) + 2)> make_index_array() 
{ 
    return concat(
     make_index_array<T_offset, T_head>(), 
     make_index_array<T_offset + sizeof(T_head),T_Second, T_tail...>() 
    ); 
} 

template<typename... T_args> 
constexpr std::array<size_t, (sizeof...(T_args))> make_index_array() 
{ 
    return make_index_array<0, T_args...>(); 
} 


template<int N, typename... Ts> 
using T_param = typename std::tuple_element<N, std::tuple<Ts...>>::type; 


template <typename... T_args> 
struct standard_layout_tuple 
{ 
    static constexpr std::array<size_t, sizeof...(T_args)> index_array = make_index_array<T_args...>(); 

    char storage[get_size<T_args...>()]; 

    //Initialization 
    template<size_t T_index, typename T_val> 
    void initialize(T_val&& val) 
    { 
     void* place = &this->storage[index_array[T_index]]; 
     new(place) T_val(std::forward<T_val>(val)); 
    } 

    template<size_t T_index, typename T_val, typename T_val2, typename... T_vals_rest> 
    void initialize(T_val&& val, T_val2&& val2, T_vals_rest&&... vals_rest) 
    { 
     initialize<T_index, T_val>(std::forward<T_val>(val)); 
     initialize<T_index+1, T_val2, T_vals_rest...>(std::forward<T_val2>(val2), std::forward<T_vals_rest>(vals_rest)...); 
    } 

    void initialize(T_args&&... args) 
    { 
     initialize<0, T_args...>(std::forward<T_args>(args)...); 
    } 

    standard_layout_tuple(T_args&&... args) 
    { 
     initialize(std::forward<T_args>(args)...); 
    } 

    //Destruction 
    template<size_t T_index, typename T_val> 
    void destroy() 
    { 
     T_val* place = reinterpret_cast<T_val*>(&this->storage[index_array[T_index]]); 
     place->~T_val(); 
    } 

    template<size_t T_index, typename T_val, typename T_val2, typename... T_vals_rest> 
    void destroy() 
    { 
     destroy<T_index, T_val>(); 
     destroy<T_index+1, T_val2, T_vals_rest...>(); 
    } 

    void destroy() 
    { 
     destroy<0, T_args...>(); 
    } 

    ~standard_layout_tuple() 
    { 
     destroy(); 
    } 

    template<size_t T_index> 
    void set(T_param<T_index, T_args...>&& data) 
    { 
     T_param<T_index, T_args...>* ptr = reinterpret_cast<T_param<T_index, T_args...>*>(&this->storage[index_array[T_index]]); 
     *ptr = std::forward<T_param<T_index, T_args...>>(data); 
    } 

    template<size_t T_index> 
    T_param<T_index, T_args...>& get() 
    { 
     return *reinterpret_cast<T_param<T_index, T_args...>*>(&this->storage[index_array[T_index]]); 
    } 
}; 


int main() { 
    standard_layout_tuple<float, double, int, double> sltuple{5.5f, 3.4, 7, 1.22}; 
    sltuple.set<2>(47); 

    std::cout << sltuple.get<0>() << std::endl; 
    std::cout << sltuple.get<1>() << std::endl; 
    std::cout << sltuple.get<2>() << std::endl; 
    std::cout << sltuple.get<3>() << std::endl; 

    std::cout << "is standard layout:" << std::endl; 
    std::cout << std::boolalpha << std::is_standard_layout<standard_layout_tuple<float, double, int, double>>::value << std::endl; 

    return 0; 
} 

活生生的例子：https://ideone.com/4LEnSS

有幾件事情我不是很滿意：

• 對準不妥善處理，這意味着輸入未對齊類型目前會給你未定義的行爲
• 不是所有的元組功能代表特德呢。
• 我不認爲內存管理目前是異常安全的。
• 它使用元組來確定每個索引的類型。
• 整體代碼質量有點雜亂。
• 可能有更好，更簡潔的方法來處理一些遞歸模板函數。
• 我不完全理解我所做的一切。我理解主要的基礎知識，但是我真誠地使用了一些怪異的語法。下面是我用過的最重要來源：
  • Create N-element constexpr array in C++11
  • Lookup table with constexpr
  • c++11 constexpr flatten list of std::array into array
  • constexpr, arrays and initialization
  • template parameter packs access Nth type and Nth element

這還不適合用作-是，真的只是對待它作爲這種狀態的概念驗證。我可能會回來改進其中的一些問題。或者，如果其他人可以改進它，請隨時編輯。

Answer 3

std::tuple的一個原因不能是標準佈局，因爲任何具有成員和基類的成員的類都是標準允許甚至在派生非空基類時進行空間優化。例如：

#include <cstdio> 
#include <cstdint> 

class X 
{ 
    uint64_t a; 
    uint32_t b; 
}; 

class Y 
{ 
    uint16_t c; 
}; 

class XY : public X, public Y 
{ 
    uint16_t d; 
}; 

int main() { 
    printf("sizeof(X) is %zu\n", sizeof(X)); 
    printf("sizeof(Y) is %zu\n", sizeof(Y)); 
    printf("sizeof(XY) is %zu\n", sizeof(XY)); 
} 

輸出：

sizeof(X) is 16 
sizeof(Y) is 2 
sizeof(XY) is 16 

由上述可知，該標準允許類拖尾填充要用於派生類成員。類別XY有兩個額外的uint16_t成員，但其大小等於基類X的大小。

換句話說，類XY佈局與另一個沒有基類的類以及所有按地址排序的XY成員相同。 struct XY2 { uint64_t a; uint32_t b; uint16_t c; uint16_t d; };。

是什麼使得它的非標準佈局是派生類的大小不是基類和派生類成員大小的函數。

請注意，struct/class的大小是具有最大對齊要求的其中一個成員的對齊的倍數。這樣一個對象數組適合這樣一個成員對齊。對於內置類型通常爲sizeof(T) == alignof(T)。因此sizeof(X)是sizeof(uint64_t)的倍數。

我不知道該標準是否需要爲struct特殊處理，但g++-5.1.1如果class被替換爲struct上面的代碼可以產生不同的輸出：

sizeof(X) is 16 
sizeof(Y) is 2 
sizeof(XY) is 24 

換句話說，尾隨填充空間優化當涉及struct時未使用（未針對確切條件進行測試）。