c++ trivial, standard layout和POD類型解析

2022 年 11 月 30 日
筆記
C/C++

1. trivial類型
2. standard layout類型
3. 集大成者，POD（Plain Old Data）類型
4. 測試代碼

1. trivial類型

佔用一片連續的內存，編譯器可以重排成員變量的順序或者增加一些padding（為了對齊），因此，可以放心的使用memcpy等函數，
但是，在c代碼裏面使用可能會出問題（因為可能會被重排），有如下特點：

沒有虛函數和虛基類
基類也必須保證沒有non-trivial的構造/析構/operator函數
成員變量的類型也必須保證沒有non-trivial的構造/析構/operator函數
成員變量可以有public/protected/private修飾，且可以出現多個。
構造/operator/析構可以有自定義的，但是必須有默認的

可以看出來，trivial主要是針對於構造/operator/析構三種函數限制的，普通函數只要不是虛函數，就沒有任何限制。
題外話，關於重排序，來看一個例子：

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

一般來講，abc的順序是不會重排的，def的順序是不會重排的，但是，因為abc和def擁有着不同的訪問控制符，是有可能def重排到abc前面的。官方解釋
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，靜態成員變量不影響

好了，定義部分講完了，來看幾個例子：

 //trivial類型，同時也是pod類型（後面會解釋）
class TrivialClass{
    int a_;
    bool flag_;
    //bool flag2_{false}; //這種就不是trivial了
};

//不是trivial類型
class NonTrivialClass{
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_{false}; //比上面就多了一個初始化賦值，就不是trivial了，但是這個是stdlayout（後續會介紹）
};

class NonTrivialClass2{
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_ = false; //同NonTrivialClass
};
//不是trivial類型
class NonTrivialClass3{
    NonTrivialClass3() {} //和NonTrivialClass3() = default的寫法是不一樣的，決定是否為trivial類型
    int a_;
    bool flag_;
    bool flag2_ = false; //同NonTrivialClass
};

//下面的也滿足trivial要求
class TrivialClass2{
public:
    //注意，靜態類型是不影響判斷的，因為靜態成員變量不會存儲在結構體/類裏面
    static std::string static_member;
    //也可以有構造函數，但是必須有默認的構造函數才行
    TrivialClass2(int a, int b): a_(a), b_(b) {}
    TrivialClass2() = default;

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

雖然舉的例子都是沒有繼承的簡單類，但是如果有繼承，也有可能是trivial類型，需要保證基類也是trivial類型

2. standard layout類型

standard layout類型（以下簡稱stdlayout）：不包含任何c語言里沒有的功能，可以使用memcpy等函數，並且可以在c代碼里放心使用，這點不同於trvial的類型，同時，stdlayout類型也能擁有自己的函數，有如下特點：

沒有虛函數和虛基類
所有的非靜態成員變量必須擁有完全一樣的public/protected/private訪問控制符, 比如下面的TrivialClass2就不是stdlayout類型
所有非靜態成員變量也必須是stdlayout類型
所有的基類也必須是stdlayout
不能把基類類型作為第一個非靜態成員變量
下面的條件滿足一個即可（總結就是要麼子類有非靜態成員變量，要麼父類有）：
- 子類沒有非靜態成員變量並且只有一個基類有非靜態成員變量
- 基類都沒有非靜態成員變量

注意，靜態成員變量不影響
可以看出來，stdlayout放寬了構造/operator/析構的限制，但是也收緊了訪問控制符的限制（只能有一種）
接下來看代碼示例：

//滿足stdlayout的要求，但是因為沒有默認的構造函數，因此不滿足trivial的要求
class StdLayoutClass{
public:
    StdLayoutClass(int a, int b): a_(a), b_(b) {}
    int a_;
    int b_;
};

//和上面的結構體就多了一個private（權限修飾符不一樣），這裡就不是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的寫法是有區別的，決定了是否為trivial
    int a_;
    int b_;
};
//這個不是standard layout，因為基類有非靜態成員變量，也不是trivial，因為積累的構造函數不是default（注意，和=default的寫法是有區別的）
class StdLayoutDerived : public StdLayoutBase {
    int c_;
    int d_;
};

class StdLayoutBase2{
    StdLayoutBase2() = default;
};
//這個就滿足stdlayout的要求了，因為必須滿足子類或者基類只能有一個有非靜態成員變量
class StdLayoutDerived2 : public StdLayoutBase2 {
    StdLayoutDerived2() = default;
    int c_;
    int d_;

    //可以擁有自己的函數
    void test_func(){
        printf("hello world");
    }
};

3. 集大成者，POD（Plain Old Data）類型

POD類型：當一個類既是trivial又是stdlayout類型的時候，這個時候它就是pod類型，因此，pod類型的特點如下：

擁有着連續的內存
每一個成員變量的地址都高於其前一個成員變量（也就是沒有進行重排序操作）
同樣的，也有嵌套要求，非靜態成員變量必須也是POD類型

綜上，POD類型可以在I/O操作中放心的進行copy和恢復，基本類型比如int，char，引用等都是POD類型。
注意，靜態成員變量不影響。
示例代碼如下：

class ClassWithVirtual{
 public:
     virtual bool foo() {}
 };
 //出現了虛函數，因此，trivial和stdlayout都不是
 class ClassWithVirtualDerived : public ClassWithVirtual {
 public:
     int a_;
     int b_;
     virtual bool foo() override{}
 };

 //有不同的訪問限定符，因此，屬於trivial但是不屬於stdlayout
 class ClassDiffAccess{
 public:
     int a_;
 private:
     int b_;
 };
 //擁有着自定義的構造函數（但是沒有顯示指定default），因此不屬於trivial
 class ClassWithoutDefaultConstructor{
 public:
     ClassWithoutDefaultConstructor() {};
     int a_;
     int b_;
 };
//集大成者，既屬於trivial也屬於stdlayout，也就是POD類型
 class PODClass {
     int a_;
     int b_;
 };

4. 測試代碼

上述類，可以通過如下代碼測試

#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));
}

/**
 * 測試三大類型，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");
}

/*
輸出如下：
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++