如何将C++类/结构体成员偏移量设为constexpr？

原代码通过运行时操作成员指针的内部表示来获取类成员偏移：

struct Base
{
  virtual ~Base() = default;
};

struct Cls : public virtual Base
{
  int a, b;
};

int main()
{
  int Cls::* ptr = &Cls::a;

  unsigned long offset = *reinterpret_cast<unsigned long*>(&ptr);
}

由于类布局在编译期就已固定，我们可以将偏移量的计算改为constexpr编译期完成，避免运行时开销。原方法依赖左值且涉及未定义行为（直接reinterpret_cast成员指针），以下是符合标准的constexpr实现方案：

编译期计算成员偏移的constexpr模板函数 #

#include <cstddef>

struct Base
{
  virtual ~Base() = default;
};

struct Cls : public virtual Base
{
  int a, b;
};

template <typename Class, typename Member>
constexpr std::size_t member_offset(Member Class::* member_ptr) noexcept
{
    // 利用编译期空对象的地址差计算偏移
    const Class* const obj = nullptr;
    const char* member_addr = reinterpret_cast<const char*>(&(obj->*member_ptr));
    const char* obj_addr = reinterpret_cast<const char*>(obj);
    return static_cast<std::size_t>(member_addr - obj_addr);
}

// 编译期直接计算得到偏移量
constexpr std::size_t offset_a = member_offset(&Cls::a);
constexpr std::size_t offset_b = member_offset(&Cls::b);

int main()
{
    // 编译期验证偏移值（具体数值取决于编译器的类布局）
    static_assert(offset_a == 16);
    static_assert(offset_b == 20);
}

方案说明 #

1. 标准合规性：避免了直接解析成员指针内部表示的未定义行为，通过编译期地址差计算偏移，符合C++17及以后的标准。
2. 编译期计算：constexpr函数在编译阶段完成计算，offset_a和offset_b是编译期常量，可用于需要编译期常量的场景（如数组大小、模板参数）。
3. 适配虚继承：对于虚继承的类，编译器会自动处理this指针的调整，该函数能正确计算成员相对于类对象起始地址的偏移。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者AxD