详解C++中普通旧数据(POD)的使用

2023-03-03 14:58

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前言

在开发C++的时候，使用对象是绕不开的话题。很多时候我们关注点都在对象的“高级语义”上，比如“运行时多态”，用户自定义的拷贝语义等。想象这样一种场景，给你一个含有100个对象的数组让你拷贝一份副本，正常的操作肯定是调用100次拷贝构造，但是你有没有想过一种方法，可以像拷贝char型数组那样使用内存拷贝呢？没错，这就是我们今天要讲的“普通旧数据”，简称POD。

一、什么是普通旧数据

普通旧数据就是内存中的连续字节序列，是能够被“仅当作数据”处理的对象，程序员无须顾及类布局的复杂性以及用户自定义的构造、拷贝和移动语义。

二、使用步骤

当然，不是所有的对象都满足作为普通旧数据的条件，接下来我们就具体分析下，作为普通旧数据需要满足哪些条件。先举个例子：

//普通旧数据
    struct SO { };// 是 POD
    struct S1 { int a; };// 是 POD
    struct S2 { int a; S2(int aa) : a(aa) { } };//不是 POD （不是默认构造函数）
    struct S3 { int a; S3(int aa) : a(aa) { } S3() {} };//是 POD （用户自定义的默认构造函数）
    struct S4 { int a; S4(int aa) : a(aa) { } S4() = default; };//是 POD
    struct S5 { virtual void f();  };//不是 POD （含有一个虚函数）
    struct S6 : S1 { };// 是 POD
    struct S7 : SO { int b; };// 是 POD
    struct S8 : S1 { int b; };//不 是 POD （数据既属于S1也属于S8)
    struct S9 : SO, S1 {};// 是 POD

上面的例子几乎涵盖了普通旧数据能遇到的所有场景。然而我们如果想把某个对象“仅当作数据”处理（当作POD)，则要求该对象必须满足下述条件：

1.不具有复杂的布局,比如含有虚函数。

2.不具有非标准（用户自定义的）拷贝语义。

3.含有一个最普通的默认构造函数。

这里的含有一个最普通的构造函数是指“必要条件”，同时你也可以自定义一个构造函数。

显然，我们在定义POD时必须非常谨慎，从而确保在不破坏任何语言规则的前提下使用这些优化措施。正式的规定是(§iso.3.9,§iso.9):POD必须是属于下列类型的对象：

1.标准布局类型(standard layout type)

2.平凡可拷贝类型(trivially copyable type)

3.具有平凡默认构造函数的类型

一个与之有关的概念是平凡类型(trivial type)，它具有以下属性：

1.一个平凡默认构造函数

2.平凡拷贝和移动操作

通俗地说，当一个默认构造函数无须执行任何实际操作时（如果需要定义一个默认构造函数，使用＝default,保持默认行为），那么他就是平凡构造函数。

那么，什么样的布局是标准布局呢？考虑以下几种情形不满足标准布局的要求：

1.含有一个非标准布局的非static成员或基类；

2.包含virtual函数

3.包含virtual基类

4.含有引用类型

5.其中的非静态数据成员有多种访问修饰符

6.阻止了重要的布局优化：在多个基类中都含有非static数据成员，或者在派生类和基类中都含有非static数据成员，或者基类类型与第一个非static数据成员的类型相同。

基本上，标准布局类型是指与C语言的布局兼容的类型，并且应该能被常规的C++应用程序二进制接口(ABI)处理。

除非在类型内部含有非平凡的拷贝操作、移动操作或者析构函数，否则该类型就是平凡可拷贝的类型。通俗地说，如果一个拷贝操作能被实现成逐位拷贝的形式，则它是平凡的。那么，哪些情形下让拷贝、移动和析构函数变得不平凡呢？

1.这些操作是用户定义的。

2.这些操作所属的类含有virtual函数。

3.这些操作所属的类含有virtual基类。

4.这些操作所属的类含有非平凡的基类或者成员。

内置类型的变量都是平凡可拷贝的，且拥有标准布局。同样，由平凡可拷贝对象组成的数组是平凡可拷贝的，由标准布局对象组成的数组拥有标准布局。

三、其他方法

说了那么多概念，感觉人都疯了，想要记住这些概念真的是不容易。好在C++标准库帮我们实现了一个类型属性谓词is_pod。有了这个东西，我还记那些繁琐的规则干什么呢？下面是使用方法，特别简单。

std::is_pod<T> //T 是POD吗，是或不是

std::cout << std::is_pod<int>::value << std::endl; //value is bool

//示例
template<typename T>
void my_copy(T *to, const T *from, int count) {
    if (is_pod<T>::value)
        memcpy(to, from, count*sizeof(T));
    else
        for (int i = 0; i < count; ++i) {
            to[i] = from[i];
        }
}