std::tuple 实现原理以及反序存储

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std::tuple的原理并不复杂,但有些细节非常有意思。其中有一个是至少在gnu C++ std的实现中,std::tuple是倒序存储的:

std::tuple<int, int> ii;
std::cout << (&std::get<0>(ii)) < (&std::get<1>(ii)) << std::endl;  // output false

很多人都以为它就是下面这样简单实现的:

template<typename Head, ...typename Tail>
my::tuple : private my::tuple<...Tail> {
    Head head;
};

但这个实现有个问题,空类也会占用一个字节的空间!这和std::tuple的实际表现不符。具体可以参考下面代码:

struct Empty { };

int main() {
  std::cout << sizeof(std::tuple<double, Empty>) << std::endl;  // 8
  std::cout << sizeof(my::tuple<double, Empty>) << std::endl;  // 16
} 

为了达到省去空类的占用空间,std::tuple的所有成员都是继承出来的。这利用了 C++的一个特性:继承空类不会增加子类的空间。

template<std::size_t _Idx, typename _Head, typename... _Tail>
struct _Tuple_impl<_Idx, _Head, _Tail...> 
    : public _Tuple_impl<_Idx + 1, _Tail...>, private _Head_base<_Idx, _Head>
{ }

template<typename... _Elements>
class tuple : public _Tuple_impl<0, _Elements...> 
{ }

也就是说std::tuple<int, double, char>基本相当于:

std::tuple<int, double, char>
    : private _Head_base<2, char>, private _Head_base<1, double>, private _Head_base<0, int>
{}

_Head_base只是对元素的一个简单封装:

template<std::size_t _Idx, typename _Head>
struct _Head_base<_Idx, _Head, false> {
    _Head value;
};

但它对空类做了一个特殊处理,使得封装后还是空类(注意上面的实现并没有得到空类):

template<std::size_t _Idx, typename _Head, bool = __empty_not_final<_Head>::value>
struct _Head_base;

// 此时 _Head 为空类。
template<std::size_t _Idx, typename _Head>
struct _Head_base<_Idx, _Head, true> : public _Head
{ }

由此可见,std::tuple的确是倒序存储的。但为什么它要这么做呢?【待续】

Q. E. D.

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