未使用的数据成员是否占用内存？

2024-02-27

初始化数据成员而不引用/使用它是否会在运行时进一步占用内存，或者编译器是否只是忽略该成员？

struct Foo {
    int var1;
    int var2;

    Foo() : var1{5} {
        std::cout << var1;
    }
};

在上面的例子中，成员var1获取一个值，然后显示在控制台中。var2但是，根本没有使用。因此，在运行时将其写入内存会浪费资源。

编译器是否会考虑这些情况并简单地忽略未使用的数据成员，或者是Foo对象始终具有相同的大小，无论其成员是否被使用？

The golden C++ "as-if" rule¹ states that, if the observable behavior http://eel.is/c++draft/intro.abstract#def:behavior,observable of a program doesn't depend on an unused data-member existence, the compiler is allowed to optimized it away.

未使用的成员变量是否占用内存？

否（如果“确实”未使用过）。

现在想到两个问题：

什么时候可观察的行为不依赖于成员的存在？
现实生活中的节目中会出现这种情况吗？

让我们从一个例子开始。

Example

#include <iostream>

struct Foo1
{ int var1 = 5;           Foo1() { std::cout << var1; } };

struct Foo2
{ int var1 = 5; int var2; Foo2() { std::cout << var1; } };

void f1() { (void) Foo1{}; }
void f2() { (void) Foo2{}; }

如果我们问gcc 编译这个翻译单元 https://godbolt.org/z/Uc3biG，它输出：

f1():
        mov     esi, 5
        mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
        jmp     std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
f2():
        jmp     f1()

f2是相同的f1，并且没有内存被用来保存实际的Foo2::var2. (Clang 做了类似的事情 https://godbolt.org/z/12AD9W).

讨论

有些人可能会说这是不同的，原因有两个：

这是一个太微不足道的例子，
该结构已完全优化，它不算数。

嗯，一个好的程序是简单事物的智能而复杂的组装，而不是复杂事物的简单并置。在现实生活中，您使用简单的结构编写大量简单的函数，而不是编译器优化掉的。例如：

bool insert(std::set<int>& set, int value)
{
    return set.insert(value).second;
}

这是数据成员的真实示例（此处，std::pair<std::set<int>::iterator, bool>::first) 未使用。你猜怎么了？它被优化掉了 https://godbolt.org/z/ALIUIk (带有虚拟集的更简单示例 https://godbolt.org/z/-CJtZd如果那个集会让你哭泣）。

现在是最佳时机阅读 Max Langhof 的精彩回答 https://stackoverflow.com/a/55061163/5470596（请为我投票）。它最终解释了为什么结构的概念在编译器输出的汇编级别没有意义。

“但是，如果我做 X，未使用的成员被优化掉的事实就是一个问题！”

有许多评论认为这个答案一定是错误的，因为某些操作（例如assert(sizeof(Foo2) == 2*sizeof(int))）会破坏一些东西。

If X is part of the observable behavior of the program², the compiler is not allowed to optimized things away. There are a lot of operations on an object containing an "unused" data-member which would have an observable effect on the program. If such an operation is performed or if the compiler cannot prove none is performed, that "unused" data-member is part of the observable behavior of the program and cannot be optimized away.

影响可观察行为的操作包括但不限于：

获取某种类型对象的大小（sizeof(Foo)),
获取在“未使用”的数据成员之后声明的数据成员的地址，
使用类似的函数复制对象memcpy,
操纵对象的表示（就像memcmp),
将对象限定为volatile,
etc.

¹⁾

[intro.abstract]/1 http://eel.is/c++draft/intro.abstract#1

本文档中的语义描述定义了参数化的非确定性抽象机。本文档对一致性实现的结构没有提出要求。特别是，它们不需要复制或模拟抽象机的结构。相反，需要一致的实现来模拟（仅）抽象机的可观察行为，如下所述。

²⁾ Like an assert passing or failing is.

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