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空基类优化（EBO）：C++ 的瘦身技巧

有一种低调而高效的内存优化，总在你看不到的地方帮你省下一点字节——空基类优化（Empty Base Optimization, EBO）。写库时常会用到空类作为“策略/标签/无状态的行为对象”，EBO 能把这些没有状态的基类挤出对象布局，节省空间、提升局部性。

还是试试TL;DR

  • EBO 允许编译器把空的基类子对象的存储省掉（即不占额外字节），从而减小派生类的 sizeof。
  • 空成员变量默认不能被 EBO 压缩，但 C++20 引入的 [[no_unique_address]] 可以对成员实现类似的压缩效果。
  • 不要依赖对象地址唯一性去识别空子对象——地址可能相同（这是被允许的优化副作用），对地址的假设会导致 bug。
  • 实战：库实现常用“继承空策略类”或“compressed pair”技巧；C++20 让事情更干净，但了解传统 EBO 仍然很有用。

概念从生活化的比喻说起

想象一个容器对象里有两个成员：一个是真正装东西的仓库（比如 int、指针），另一个是空的“标签”——仅代表行为，没有数据。直觉上你可能会给每个成员都分配空间，但语言标准允许编译器把“空标签”这个基类子对象放到不占额外空间的位置（比如复用派生对象的首字节）。这样派生对象整体更小，缓存更友好——这就是 EBO 的核心。

标准把“最派生对象必须有非零大小”的要求施加在最派生对象上，但基类子对象不受此限制，编译器可以把空基类子对象大小视为 0（即不占额外字节）。这正是 EBO 的法理学来源。

简单示例

struct Empty {}; // 空类

struct A {
    Empty e;     // 成员，通常会占 1 字节
    int x;
};

struct B : Empty { // 继承 Empty —— EBO 有机会发生
    int x;
};

static_assert(sizeof(A) >= sizeof(int) + 1);
static_assert(sizeof(B) == sizeof(int)); // 在支持 EBO 的编译器上通常成立

在上面例子中，A 中的 Empty e 是数据成员，按语言规则它需要占非零字节（以保证数组等语义）；而 B 把 Empty 作为基类，编译器可以把它“压进”B 的布局中，从而 sizeof(B) 通常等于 sizeof(int)（不同编译器/ABI 可能细节不同）。

为什么 STL/库里常看到“继承空类”的套路？

标准库里，像分配器（allocator）、比较器（comparator）、删除器（deleter）等类型往往是无状态的空类。如果把它们作为成员，会浪费空间；把它们作为基类（通常是私有继承）可以启用 EBO，节省对象体积。很多实现把指针+空删除器这种情况包装成“compressed pair”或类似工具，以实现最小化的对象大小。微软的 STL 博客和其他实现说明了这种做法的普遍性。

C++20：[[no_unique_address]] 把“空成员优化”变得正式且安全

传统 EBO 只能通过继承实现（成员无法被压缩）。C++20 引入的 [[no_unique_address]] 属性允许成员也能被允许与其它子对象共享地址（即允许零大小语义），从而用成员语法就能达到类似 EBO 的效果，代码更直观、语义更清晰。例如：

struct Empty {};
struct Holder {
    [[no_unique_address]] Empty e; // 现在可以和其它成员共享地址
    int x;
};

这在实现上比私有继承更好看，也避免了继承带来的潜在接口暴露。cppreference 和一些实现文章对 [[no_unique_address]] 的语义与限制有总结，强烈建议在能用 C++20 的地方优先采用。

常见误解与踩坑（务必注意）

  • “空类子对象一定没有地址”——错。 标准允许基类子对象与最派生对象共享起始地址；这会导致基类子对象的地址可能与其它子对象（或对象整体）相同。不要写依赖子对象地址唯一性的代码。
  • std::pair 为何不能直接利用 EBO？ 因为 std::pair 把 first 和 second 作为成员而不是空基类，因此传统 EBO 无法用于成员（除非使用 [[no_unique_address]] 或把实现改成 compressed-pair 风格）。这也是为啥有 “compressed pair” 之类的内部实现技巧。
  • 多个空基类有时会互相影响：若你从多个空类型继承，编译器会尝试为它们做 EBO，但在某些情况下（比如重复的基类类型、ABI 或嵌套模板导致的类型相同）会限制优化。常见的做法是让每个空基类的类型对编译器来说“独一无二”（例如通过模板参数化）以确保压缩生效。有人把这个问题称为“需要使基类类型分别化”。

实战建议

  1. 默认不用过早优化：把策略类写成空类、用成员或继承都行；可读性优先。
  2. 若需要最小内存或实现库（如智能指针、容器），优先考虑 [[no_unique_address]]（C++20）或受控的私有继承 EBO 技巧。 C++20 能让代码更直观。
  3. 别依赖对象或子对象地址唯一性：在写调试、序列化或比较逻辑时，避免用地址来区分空子对象。地址可能会相同，标准允许这种重用。

小结

EBO 是 C++ 里一门“看得见效果却不显山露水”的微优化：让空策略类不再浪费字节。历史上我们用私有继承实现 EBO，现代 C++（C++20）通过 [[no_unique_address]] 让空成员也能被压缩，代码更直观更安全。实际工程里优先写清晰可维护的代码：当对象大小敏感时，再用 EBO / [[no_unique_address]] / compressed-pair 等技巧去手工优化，并在目标编译器上验证行为。