10. POD类型

1. POD类型

POD是英文中 Plain Old Data 的缩写，翻译过来就是普通的旧数据 。 POD在C++中是非常重要的一个概念，通常用于说明一个类型的属性，尤其是用户自定义类型的属性。

POD属性在C++11中往往是构建其他C++概念的基础

• Plain ：表示是个普通的类型
• Old ：体现了其与C的兼容性，支持标准C函数

在C++11中将 POD划分为两个基本概念的合集，即∶平凡的（trivial） 和标准布局的（standard layout ）

2. “平凡”类型

一个平凡的类或者结构体应该符合以下几点要求：

1. 拥有平凡的默认构造函数（trivial constructor）和析构函数（trivial destructor）。

平凡的默认构造函数就是说构造函数什么都不干。

• 通常情况下，不定义类的构造函数，编译器就会为我们生成一个平凡的默认构造函数。

copy
// 使用默认的构造函数
class Test {};

• 一旦定义了构造函数，即使构造函数不包含参数，函数体里也没有任何的代码，那么该构造函数也不再是"平凡"的。

copy
class Test1 
{
    Test1();    // 我们定义的构造函数, 非默认构造
};

关于析构函数也和上面列举的构造函数类似，一旦被定义就不平凡了。 但是这也并非无药可救，使用=default关键字可以显式地声明默认的构造函数，从而使得类型恢复 “平凡化”。

2. 拥有平凡的拷贝构造函数（trivial copy constructor）和移动构造函数（trivial move constructor）。

• 平凡的拷贝构造函数基本上等同于使用 memcpy 进行类型的构造。
• 同平凡的默认构造函数一样，不声明拷贝构造函数的话，编译器会帮程序员自动地生成。
• 可以显式地使用 =default 声明默认拷贝构造函数。

• 而平凡移动构造函数跟平凡的拷贝构造函数类似，只不过是用于移动语义。

3. 拥有平凡的拷贝赋值运算符（trivial assignment operator）和移动赋值运算符（trivial move operator）。

这基本上与平凡的拷贝构造函数和平凡的移动构造运算符类似。

4. 不包含虚函数以及虚基类。

• 类中使用 virtual 关键字修饰的函数 叫做虚函数

copy
class Base 
{
public:
    Base() {}
    virtual void print() {}
};

• 虚基类是在创建子类的时候在继承的基类前加 virtual 关键字 修饰

copy
语法: class 派生类名：virtual  继承方式  基类名

示例代码：

copy
class Base 
{
public:
    Base() {}
};
// 子类Child，虚基类：Base
class Child : virtual public Base 
{
    Child() {}
};

3. “标准布局”类型

标准布局类型主要主要指的是类或者结构体的结构或者组合方式。

标准布局类型的类应该符合以下五点定义，最重要的是前两条：

1. 所有非静态成员有相同 的访问权限（public，private，protected）。

• 类成员拥有不同的访问权限（非标准布局类型）

copy
class Base
{
public:
    Base() {}
    int a;
protected:
    int b;
private:
    int c;
};

• 类成员拥有相同的访问权限（标准布局类型）

copy
class Base
{
public:
    Base() {}
    int a;
    int b;
    int c;
};

2. 在类或者结构体继承时，满足以下两种情况之一∶


• 派生类中有非静态成员，基类中包含静态成员（或基类没有变量）。
• 基类有非静态成员，而派生类没有非静态成员。

copy
struct Base { static int a;};
struct Child: public Base{ int b;};          // ok
struct Base1 { int a;};
struct Child1: public Base1{ static int c;}; // ok
struct Child2:public Base, public Base1 { static int d;); // ok
struct Child3:public Base1{ int d;};         // error 有非静态和静态
struct Child4:public Base1, public Child     // error 基类有多个非静态
{
    static int num;
};

结论：

1. 非静态成员只要同时出现在派生类和基类间，即不属于标准布局。
2. 对于多重继承，一旦非静态成员出现在多个基类中，即使派生类中没有非静态成员变量，派生类也不属于标准布局。

3. 子类中第一个非静态成员的类型与其基类不同。


此处基于G++编译器，如果使用VS的编译器和G++编译器得到的结果是不一样的。

copy
struct Parent{};
struct Child : public Parent
{
    Parent p;    // 子类的第一个非静态成员
    int foo;
};

上面的例子中Child不是一个标准布局类型 因为它的第一个非静态成员变量p和父类的类型相同 改成下面这样子类就变成了一个标准布局类型：

copy
struct Parent{};
struct Child1 : public Parent
{
    int foo;   // 子类的第一个非静态成员
    Parent p;    
};

这条规则对于我们来说是比较特别的，这样规定的目的主要是是节约内存，提高数据的读取效率。对于上面的两个子类Child和Child1来说它们的内存结构是不一样的 在基类没有成员的情况下：

• C++标准允许标准布局类型（Child1）派生类的第一个成员foo与基类共享地址 此时基类并没有占据任何的实际空间（可以节省一点数据）

• 对于子类Child而言，如果子类的第一个成员仍然是基类类型 C++标准要求类型相同的对象它们的地址必须不同（基类地址不能和子类中的变量 p 类型相同），此时需要分配额外的地址空间将二者的地址错开。

4. 没有虚函数和虚基类。


5. 所有非静态数据成员均符合标准布局类型，其基类也符合标准布局，这是一个递归的定义。

4. 对 POD 类型的判断

如果我们想要判断某个数据类型是不是属于 POD 类型 可以使用C++11给我们提供的相关函数：

4.1 对“平凡”类型判断

C++11提供的类模板叫做 is_trivial，其定义如下：

copy
template <class T> struct std::is_trivial;

std::is_trivial 的成员value 可以用于判断T的类型是否是一个平凡的类型（value 函数返回值为布尔类型）。 除了类和结构体外，is_trivial还可以对内置的标准类型数据（比如int、float都属于平凡类型）及数组类型（元素是平凡类型的数组总是平凡的）进行判断。

关于类型的判断，示例程序如下：

copy
#include <iostream>
#include <type_traits>
using namespace std;

class A {};
class B { B() {} };
class C : B {};
class D { virtual void fn() {} };
class E : virtual public A { };

int main() 
{
    cout << std::boolalpha; //通过这一句可以使value的输出从0/1,转换为false/true
    cout << "is_trivial:" << endl;
    cout << "int: " << is_trivial<int>::value << endl;
    cout << "A: " << is_trivial<A>::value << endl;
    cout << "B: " << is_trivial<B>::value << endl;
    cout << "C: " << is_trivial<C>::value << endl;
    cout << "D: " << is_trivial<D>::value << endl;
    cout << "E: " << is_trivial<E>::value << endl;
    return 0;
}

输出的结果：

copy
is_trivial:
int: true
A: true
B: false
C: false
D: false
E: false

• int ：内置标准数据类型，属于 trivial 类型
• A ：拥有默认的构造和析构函数，属于 trivial 类型
• B ：自定义了构造函数，因此不属于 trivial 类型
• C ：基类中自定义了构造函数，因此不属于 trivial 类型(继承了B,B自定义了构造函数)
• D ：类成员函数中有虚函数，因此不属于 trivial 类型
• E ：继承关系中有虚基类，因此不属于 trivial 类型

4.2 对“标准布局”类型的判断

同样，在C++11中，我们可以使用模板类来帮助判断类型是否是一个标准布局的类型

其定义如下：

copy
template <typename T> struct std::is_standard_layout;

通过 is_standard_layout模板类的成员 value（is_standard_layout<T>∶∶value），我们可以在代码中打印出类型的标准布局属性，函数返回值为布尔类型。

示例程序:

copy
// pod.cpp
#include <iostream>
#include <type_traits>
using namespace std;

struct A { };
struct B : A { int j; };
struct C
{
public:
    int a;
private:
    int c;
};
struct D1 {  static int i; };
struct D2 {  int i; };
struct E1 { static int i; };
struct E2 { int i; };
struct D : public D1, public E1 { int a; };
struct E : public D1, public E2 { int a; };
struct F : public D2, public E2 { static int a; };
struct G : public A
{
    int foo;
    A a;
};
struct H : public A
{
    A a;
    int foo;
};

int main() 
{
    cout << std::boolalpha;
    cout << "is_standard_layout:" << std::endl;
    cout << "A: " << is_standard_layout<A>::value << endl;
    cout << "B: " << is_standard_layout<B>::value << endl;
    cout << "C: " << is_standard_layout<C>::value << endl;
    cout << "D: " << is_standard_layout<D>::value << endl;
    cout << "D1: " << is_standard_layout<D1>::value << endl;
    cout << "E: " << is_standard_layout<E>::value << endl;
    cout << "F: " << is_standard_layout<F>::value << endl;
    cout << "G: " << is_standard_layout<G>::value << endl;
    cout << "H: " << is_standard_layout<H>::value << endl;
    return 0;
}

VS2019输出的结果

copy
is_standard_layout:
A: true
B: true
C: false
D: true
D1: true
E: false
F: false
    G: false
H: false

G++ 编译输出的结果: 编译命令

copy
$ g++ pod.cpp -std=c++11

输出的结果

copy
is_standard_layout:
A: true
B: true
C: false
D: true
D1: true
E: false
F: false
    G: true
H: false

关于输出的结果

• A ：没有虚基类和虚函数，属于 standard_layout 类型
• B ：没有虚基类和虚函数，属于 standard_layout 类型
• C ：所有非静态成员访问权限不一致，不属于 standard_layout 类型
• D ：基类和子类没有同时出现非静态成员变量，属于 standard_layout 类型
• D1 ：没有虚基类和虚函数，属于 standard_layout 类型
• E ：基类和子类中同时出现了非静态成员变量，不属于 standard_layout 类型
• F ：多重继承中在基类里同时出现了非静态成员变量，不属于 standard_layout 类型
• G ：使用的编译器不同，得到的结果也不同。
• H ：子类中第一个非静态成员的类型与其基类类型不能相同，不属于 standard_layout 类型

5. 总结

我们使用的很多内置类型默认都是 POD的。 POD 最为复杂的地方还是在类或者结构体的判断。 使用POD有什么好处呢？

1. 字节赋值，代码中我们可以安全地使用 memset 和 memcpy 对 POD类型进行初始化和拷贝等操作。

2. 提供对C内存布局兼容。C++程序可以与C 函数进行相互操作 因为POD类型的数据在C与C++ 间的操作总是安全的。

3. 保证了静态初始化的安全有效。静态初始化在很多时候能够提高程序的性能，而POD类型的对象初始化往往更加简单。


 关于 POD 重在理解,以上