静态向量内部数据布局 - `union` vs`std :: aligned_storage_t` - 巨大的性能差异

Question

假设您必须实现一个static_vector<T, N>类，它是一个固定容量容器，完全存在于堆栈中并且从不分配，并且公开std::vector - 就像接口。 （Boost提供boost::static_vector。）

考虑到我们必须为N的最大T个实例提供未初始化的存储，在设计内部数据布局时可以有多种选择：

• 单个成员union：

  union U { T _x; };
  std::array<U, N> _data;
  

• 单std::aligned_storage_t：

  std::aligned_storage_t<sizeof(T) * N, alignof(T)> _data;
  

• std::aligned_storage_t的数组：

  using storage = std::aligned_storage_t<sizeof(T), alignof(T)>;
  std::array<storage, N> _data;
  

无论选择何种选择，创建成员都需要使用"placement new"，访问它们需要reinterpret_cast的内容。

现在假设我们有两个非常小的static_vector<T, N>实现：

• with_union：使用＆＃34;单个成员union＆＃34;方法

• with_storage：使用＆＃34;单std::aligned_storage_t＆＃34;方法

让我们使用g++和clang++ -O3同时执行以下基准测试。我使用了quick-bench.com for this task：

void escape(void* p) { asm volatile("" : : "g"(p) : "memory"); }
void clobber()       { asm volatile("" : :        : "memory"); }

template <typename Vector>
void test()
{
    for(std::size_t j = 0; j < 10; ++j)
    {
        clobber();
        Vector v;
        for(int i = 0; i < 123456; ++i) v.emplace_back(i);
        escape(&v);
    }
}

（escape和clobber取自Chandler Carruth的CppCon 2015演讲："Tuning C++: Benchmarks, and CPUs, and Compilers! Oh My!"）

• g++ 7.2 （live here）的结果：

• clang++ 5.0 （live here）的结果：

从结果中可以看出，g++似乎能够积极优化（向量化）使用＆＃34;单std::aligned_storage_t＆＃的实现34;方法，但不是使用union的实现。

我的问题是：

• 标准中是否有任何内容阻止使用union进行积极优化？ （即标准在使用时为编译器授予更多自由度std::aligned_storage_t - 如果是，为什么？）

• 这纯粹是一种＆＃34;实施质量＆＃34;问题？

Answer 1

xskxzr是对的，这与this question中的问题相同。从根本上说，gcc在忘记std::array的数据对齐方面缺少优化机会。 John Zwinck帮助报告了bug 80561。

您可以通过对with_union进行两次更改之一来验证您的基准测试：

1. 将_data从std::array<U, N>更改为U[N]。表现相同

2. 通过将_data的实施更改为：

   ，提醒gcc emplace_back()实际上是对齐的

   template <typename... Ts> 
   T& emplace_back(Ts&&... xs)
   {
       U* data = static_cast<U*>(__builtin_assume_aligned(_data.data(), alignof(U)));
       T* ptr = &data[_size++]._x;
       return *(new (ptr) T{std::forward<Ts>(xs)...});
   }
   

使用其他基准测试的这些更改中的任何一项都会让我在WithUnion和WithAlignedStorage之间获得可比较的结果。