c++ trivial, standard layout和POD类型解析

2022 年 11 月 30 日
笔记
C/C++

1. trivial类型
2. standard layout类型
3. 集大成者，POD（Plain Old Data）类型
4. 测试代码

1. trivial类型

占用一片连续的内存，编译器可以重排成员变量的顺序或者增加一些padding（为了对齐），因此，可以放心的使用memcpy等函数，
但是，在c代码里面使用可能会出问题（因为可能会被重排），有如下特点：

没有虚函数和虚基类
基类也必须保证没有non-trivial的构造/析构/operator函数
成员变量的类型也必须保证没有non-trivial的构造/析构/operator函数
成员变量可以有public/protected/private修饰，且可以出现多个。
构造/operator/析构可以有自定义的，但是必须有默认的

可以看出来，trivial主要是针对于构造/operator/析构三种函数限制的，普通函数只要不是虚函数，就没有任何限制。
题外话，关于重排序，来看一个例子：

struct Foo {
          A a;
          B b;
          C c;
private:
          D d;
          E e;
          F f;
};

一般来讲，abc的顺序是不会重排的，def的顺序是不会重排的，但是，因为abc和def拥有着不同的访问控制符，是有可能def重排到abc前面的。官方解释
如下：

Nonstatic data members of a (non-union) class declared without an intervening access-specifier are allocated
so that later members have higher addresses within a class object.
The order of allocation of nonstatic data members separated by an access-specifier is unspecified (11.1)

注意，静态成员变量不影响

好了，定义部分讲完了，来看几个例子：

 //trivial类型，同时也是pod类型（后面会解释）
class TrivialClass{
    int a_;
    bool flag_;
    //bool flag2_{false}; //这种就不是trivial了
};

//不是trivial类型
class NonTrivialClass{
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_{false}; //比上面就多了一个初始化赋值，就不是trivial了，但是这个是stdlayout（后续会介绍）
};

class NonTrivialClass2{
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_ = false; //同NonTrivialClass
};
//不是trivial类型
class NonTrivialClass3{
    NonTrivialClass3() {} //和NonTrivialClass3() = default的写法是不一样的，决定是否为trivial类型
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_ = false; //同NonTrivialClass
};

//下面的也满足trivial要求
class TrivialClass2{
public:
    //注意，静态类型是不影响判断的，因为静态成员变量不会存储在结构体/类里面
    static std::string static_member;
    //也可以有构造函数，但是必须有默认的构造函数才行
    TrivialClass2(int a, int b): a_(a), b_(b) {}
    TrivialClass2() = default;

    void foo() {}
    int a_;
private:
    int b_;
    bool flag_;
};

虽然举的例子都是没有继承的简单类，但是如果有继承，也有可能是trivial类型，需要保证基类也是trivial类型

2. standard layout类型

standard layout类型（以下简称stdlayout）：不包含任何c语言里没有的功能，可以使用memcpy等函数，并且可以在c代码里放心使用，这点不同于trvial的类型，同时，stdlayout类型也能拥有自己的函数，有如下特点：

没有虚函数和虚基类
所有的非静态成员变量必须拥有完全一样的public/protected/private访问控制符, 比如下面的TrivialClass2就不是stdlayout类型
所有非静态成员变量也必须是stdlayout类型
所有的基类也必须是stdlayout
不能把基类类型作为第一个非静态成员变量
下面的条件满足一个即可（总结就是要么子类有非静态成员变量，要么父类有）：
- 子类没有非静态成员变量并且只有一个基类有非静态成员变量
- 基类都没有非静态成员变量

注意，静态成员变量不影响
可以看出来，stdlayout放宽了构造/operator/析构的限制，但是也收紧了访问控制符的限制（只能有一种）
接下来看代码示例：

//满足stdlayout的要求，但是因为没有默认的构造函数，因此不满足trivial的要求
class StdLayoutClass{
public:
    StdLayoutClass(int a, int b): a_(a), b_(b) {}
    int a_;
    int b_;
};

//和上面的结构体就多了一个private（权限修饰符不一样），这里就不是stdlayout了
class ClassMixedAccess{
public:
    ClassMixedAccess(int a, int b): a_(a), b_(b) {}
    int a_;
private:
    int b_;
};

class StdLayoutBase{
public:
    StdLayoutBase() {} //和StdLayoutBase()=default的写法是有区别的，决定了是否为trivial
    int a_;
    int b_;
};
//这个不是standard layout，因为基类有非静态成员变量，也不是trivial，因为积累的构造函数不是default（注意，和=default的写法是有区别的）
class StdLayoutDerived : public StdLayoutBase {
    int c_;
    int d_;
};

class StdLayoutBase2{
    StdLayoutBase2() = default;
};
//这个就满足stdlayout的要求了，因为必须满足子类或者基类只能有一个有非静态成员变量
class StdLayoutDerived2 : public StdLayoutBase2 {
    StdLayoutDerived2() = default;
    int c_;
    int d_;

    //可以拥有自己的函数
    void test_func(){
        printf("hello world");
    }
};

3. 集大成者，POD（Plain Old Data）类型

POD类型：当一个类既是trivial又是stdlayout类型的时候，这个时候它就是pod类型，因此，pod类型的特点如下：

拥有着连续的内存
每一个成员变量的地址都高于其前一个成员变量（也就是没有进行重排序操作）
同样的，也有嵌套要求，非静态成员变量必须也是POD类型

综上，POD类型可以在I/O操作中放心的进行copy和恢复，基本类型比如int，char，引用等都是POD类型。
注意，静态成员变量不影响。
示例代码如下：

class ClassWithVirtual{
 public:
     virtual bool foo() {}
 };
 //出现了虚函数，因此，trivial和stdlayout都不是
 class ClassWithVirtualDerived : public ClassWithVirtual {
 public:
     int a_;
     int b_;
     virtual bool foo() override{}
 };

 //有不同的访问限定符，因此，属于trivial但是不属于stdlayout
 class ClassDiffAccess{
 public:
     int a_;
 private:
     int b_;
 };
 //拥有着自定义的构造函数（但是没有显示指定default），因此不属于trivial
 class ClassWithoutDefaultConstructor{
 public:
     ClassWithoutDefaultConstructor() {};
     int a_;
     int b_;
 };
//集大成者，既属于trivial也属于stdlayout，也就是POD类型
 class PODClass {
     int a_;
     int b_;
 };

4. 测试代码

上述类，可以通过如下代码测试

#define BOOL_2_STRING(val) ((val) ? "true" : "false")

/**
* tool function
* @tparam T
*/
template<class T>
void test_trivial_stdlayout_pod_type_internal(const char *type_name) {
    bool is_trivial = std::is_trivial<T>::value;
    bool is_std_layout = std::is_standard_layout<T>::value;
    bool is_pod = std::is_pod<T>::value;
    printf("%s: is_trivial[%s]  is_standard_layout[%s]  is_pod[%s]\n",
           type_name, BOOL_2_STRING(is_trivial),
           BOOL_2_STRING(is_std_layout), BOOL_2_STRING(is_pod));
}

/**
 * 测试三大类型，trivial，standard layout， pod
 */
void test_trivial_stdlayout_pod_type() {
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<TrivialClass>("TrivialClass");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<NonTrivialClass>("NonTrivialClass");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<NonTrivialClass2>("NonTrivialClass2");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<NonTrivialClass3>("NonTrivialClass3");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<TrivialClass2>("TrivialClass2");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<StdLayoutClass>("StdLayoutClass");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<ClassMixedAccess>("ClassMixedAccess");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<StdLayoutDerived>("StdLayoutDerived");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<StdLayoutDerived2>("StdLayoutDerived2");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<ClassWithVirtualDerived>("ClassWithVirtualDerived");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<ClassDiffAccess>("ClassDiffAccess");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<ClassWithoutDefaultConstructor>("ClassWithoutDefaultConstructor");
    test_trivial_stdlayout_pod_type_internal<PODClass>("PODClass");
}

/*
输出如下：
TrivialClass: is_trivial[true]  is_standard_layout[true]  is_pod[true]
NonTrivialClass: is_trivial[false]  is_standard_layout[true]  is_pod[false]
NonTrivialClass2: is_trivial[false]  is_standard_layout[true]  is_pod[false]
NonTrivialClass3: is_trivial[false]  is_standard_layout[true]  is_pod[false]
TrivialClass2: is_trivial[true]  is_standard_layout[false]  is_pod[false]
StdLayoutClass: is_trivial[false]  is_standard_layout[true]  is_pod[false]
ClassMixedAccess: is_trivial[false]  is_standard_layout[false]  is_pod[false]
StdLayoutDerived: is_trivial[false]  is_standard_layout[false]  is_pod[false]
StdLayoutDerived2: is_trivial[true]  is_standard_layout[true]  is_pod[true]
ClassWithVirtualDerived: is_trivial[false]  is_standard_layout[false]  is_pod[false]
ClassDiffAccess: is_trivial[true]  is_standard_layout[false]  is_pod[false]
ClassWithoutDefaultConstructor: is_trivial[false]  is_standard_layout[true]  is_pod[false]
PODClass: is_trivial[true]  is_standard_layout[true]  is_pod[true]
*/

Tags: C/C++