如何优化含条件成员的C++聚合类型的内存对齐？

给定以下聚合类型定义：

template <class scalar_t>
struct vec3 {
    constexpr static auto size = 3;
    scalar_t x, y, z;
    // 构造函数、赋值运算符、析构函数省略
};

template <class scalar_t>
struct vec2 {
    constexpr static auto size = 2;
    scalar_t x, y;
    // 构造函数、赋值运算符、析构函数省略
};

希望组合出包含条件成员的聚合类型：满足条件时使用上述vecN类型，否则使用empty_t，empty_t定义如下：

struct empty {
    constexpr static auto size = 0;
};

using empty_t = empty; // 或<variant>中的std::monostate

构造的vertex类型模板如下：

template <bool has_color = false, bool has_texture = false>
struct vertex {
    using position_type = vec3<double>;
    using color_type = std::conditional_t<has_color, vec3<double>, empty_t>;
    using texture_coords_type = std::conditional_t<has_texture, vec2<double>, empty_t>;
    
    position_type position{};
    color_type color{};
    texture_coords_type texture_coords{};
    // 构造函数、赋值运算符、析构函数省略
};

仅包含位置数据的vertex类型声明为：

using p_vertex = vertex<false, false>;

当前问题是编译器的类型对齐导致empty_t仍占用1字节，最终整个类型被填充至32字节：

std::cout << "position vertex:" << std::endl;
std::cout << sizeof(p_vertex::position_type{}) << std::endl;          // 24
std::cout << sizeof(p_vertex::color_type{}) << std::endl;             // 1
std::cout << sizeof(p_vertex::texture_coords_type{}) << std::endl;    // 1
std::cout << sizeof(p_vertex{}) << std::endl << std::endl;            // 32

问题 #

1. 能否通过alignas或alignof实现24字节对齐？（注：使sizeof(empty_t)==0已被证实不可行）
2. 若每个vecN的scalar_t分别模板化如下：

using position_type = vec3<A>;
using color_type = std::conditional_t<has_color, vec3<B>, empty_t>;
using texture_coords_type = std::conditional_t<has_texture, vec2<C>, empty_t>;

其中A、B、C为<cstdint>内置整数类型或float/double，能否实现无填充的类型对齐？

问题1：能否通过alignas/alignof实现24字节对齐？ #

不行。alignas只能增加类型的对齐要求，无法减少。当前p_vertex的sizeof为32字节，原因是vec3<double>的对齐要求为8字节（double的对齐标准是8），整个vertex类型的对齐要求由最大成员的对齐规则决定，即8字节。而24+1+1=26，为满足8字节对齐，编译器会填充6字节至32。

即使给empty_t加上alignas(1)，或给vertex强制指定alignas(24)，也无法改变empty_t占用1字节的事实——C++标准规定任何非空类型的大小至少为1，且空基类优化（EBO）仅适用于基类，不适用于成员变量。只要vertex包含empty_t类型的成员，就会占用至少1字节，导致总大小超过24，进而被对齐到更大的倍数。

正确的解决思路是改用空基类优化，将条件成员作为基类继承而非成员变量，示例如下：

template <bool has_color, bool has_texture>
struct vertex_base : 
    std::conditional_t<has_color, vec3<double>, empty_t>,
    std::conditional_t<has_texture, vec2<double>, empty_t> {
    vec3<double> position{};
};

此时当has_color为false时，继承的empty_t会被EBO优化掉，不占用空间；has_texture为false时同理。p_vertex的sizeof将等于vec3<double>的大小24字节，符合预期。

问题2：分别模板化scalar_t能否实现无填充对齐？ #

只要存在empty_t类型的成员，就无法完全避免填充——因为empty_t至少占用1字节，几乎不可能让所有成员的总大小刚好符合最大对齐要求的整数倍。

举个例子：若A是float（大小4，对齐4），position_type大小为12；当has_color和has_texture均为false时，vertex的总大小为12+1+1=14，会被对齐到16（满足4字节对齐规则），仍存在填充。

同样，解决核心还是用空基类优化替代成员变量，将条件成员作为基类继承。示例如下：

template <typename A, typename B, typename C, bool has_color, bool has_texture>
struct vertex :
    std::conditional_t<has_color, vec3<B>, empty_t>,
    std::conditional_t<has_texture, vec2<C>, empty_t> {
    vec3<A> position{};
};

此时当has_color和has_texture为false时，vertex的sizeof等于vec3<A>的大小，完全无填充；若has_color为true，只要vec3<B>的对齐要求不与vec3<A>冲突，编译器会通过EBO优化掉空基类的占用，实现无填充布局。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者matreska