能否将[[no_unique_address]]用于非POD类型？以std::array为例

当为std::size_t[]这类普通旧数据（POD）数组使用[[no_unique_address]]属性时，数据大小为0的模板特化结构体尺寸可仅等同于index成员的大小，无需为data数组占用内存。但将该属性用于std::array时却无法实现此效果——这大概率是因为[[no_unique_address]]无法直接处理复合对象，而std::array的标准实现早于该属性的引入，因此没做对应的优化。

现在需要在结构体中直接嵌入std::array（不使用指针、引用等间接方式），有没有办法让[[no_unique_address]]对std::array起到如同对POD数组的作用？

示例代码 #

#include <array>
#include <iostream>

using data_type = std::size_t;

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndexArray
{
    std::size_t index;
    [[no_unique_address]] std::array<data_type, _data_size> data;
 };

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndexPOD
{
    std::size_t index;
    [[no_unique_address]] data_type data[_data_size];
};

int main()
{
    std::cout << "Sizeof std::size_t = " << sizeof(std::size_t) << "\n\n";

    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexPOD<0> = " << sizeof(ExtendableIndexPOD<0>) << '\n';
    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexPOD<1> = " << sizeof(ExtendableIndexPOD<1>) << '\n';

    std::cout << '\n';

    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexArray<0> = " << sizeof(ExtendableIndexArray<0>) << '\n';
    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexArray<1> = " << sizeof(ExtendableIndexArray<1>) << '\n';
}

运行输出 #

Sizeof std::size_t = 8

Sizeof ExtendableIndexPOD<0> = 8
Sizeof ExtendableIndexPOD<1> = 16

Sizeof ExtendableIndexArray<0> = 16
Sizeof ExtendableIndexArray<1> = 16

核心思路是给std::array做一层轻量包装，利用模板特化让空数组的包装器成为空类型，这样[[no_unique_address]]就能生效。

方法1：封装适配std::array的模板结构体 #

写一个模板结构体，对数组大小为0的情况做特化，让它成为空类型；非空情况则直接包含std::array：

#include <array>
#include <iostream>

using data_type = std::size_t;

// 通用模板：包装std::array
template<std::size_t N>
struct ArrayWrapper {
    std::array<data_type, N> data;
};

// 特化：空数组时使用空结构体
template<>
struct ArrayWrapper<0> {};

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndexArray
{
    std::size_t index;
    [[no_unique_address]] ArrayWrapper<_data_size> data_wrapper;
 };

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndexPOD
{
    std::size_t index;
    [[no_unique_address]] data_type data[_data_size];
};

int main()
{
    std::cout << "Sizeof std::size_t = " << sizeof(std::size_t) << "\n\n";

    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexPOD<0> = " << sizeof(ExtendableIndexPOD<0>) << '\n';
    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexPOD<1> = " << sizeof(ExtendableIndexPOD<1>) << '\n';

    std::cout << '\n';

    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexArray<0> = " << sizeof(ExtendableIndexArray<0>) << '\n';
    std::cout << "Sizeof ExtendableIndexArray<1> = " << sizeof(ExtendableIndexArray<1>) << '\n';
}

此时运行输出会和ExtendableIndexPOD一致：

Sizeof std::size_t = 8

Sizeof ExtendableIndexPOD<0> = 8
Sizeof ExtendableIndexPOD<1> = 16

Sizeof ExtendableIndexArray<0> = 8
Sizeof ExtendableIndexArray<1> = 16

方法2：利用空基类优化（EBO） #

让结构体继承自ArrayWrapper，空基类优化允许编译器省略空基类的内存占用：

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndexArray : private ArrayWrapper<_data_size>
{
    std::size_t index;
    // 提供访问数组的接口
    std::array<data_type, _data_size>& data() { return ArrayWrapper<_data_size>::data; }
    const std::array<data_type, _data_size>& data() const { return ArrayWrapper<_data_size>::data; }
 };

这种方式同样能实现空数组时结构体大小等于index的效果。

原理说明 #

[[no_unique_address]]的作用是允许编译器优化空类型成员的内存占用，但std::array<data_type, 0>本身是复合类型，标准允许它的大小不为0（通常为1字节以保证对象地址唯一）。我们通过包装器将空数组的情况转化为真正的空类型，就能让[[no_unique_address]]发挥作用。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Damir Tenishev