Interested Article - Простая структура данных

Простая структура данных ( англ. plain old data , POD ) — тип данных в современных высокоуровневых языках программирования имеющий жёстко определённое расположение полей в памяти, не требующий ограничения доступа и автоматического управления . Переменные такого типа можно воссоздавать простыми процедурами копирования участков памяти наподобие memcpy . Противоположность — управляемая структура данных .

Проще всего определить простую структуру данных от противного. Например, если компилятор скрытно от пользователя переставил поля местами или при создании структуры данных скрытно вызывает конструктор , или при уничтожении структуры вызывает деструктор , или при копировании — особую процедуру копирования, то это управляемая (то есть, не простая) структура.

Преимущества простых структур данных

Простые структуры данных имеют две особенности.

Предсказуемое устройство в памяти

Компилятор может автоматически перестроить структуру данных по своему усмотрению (например, изменить порядок полей. В языке C++ это возможно только в случае, если между полями есть метка доступа public/private/protected. Последовательность полей, не разделенных такой меткой, обязана размещаться в памяти в порядке объявления полей). Подобная перестройка может серьёзно сэкономить память, но нарушает совместимость. В POD’ах такая оптимизация отключена.

Другими словами: типы, отмеченные как POD, устроены в памяти в точности так, как описал программист (возможно, с некоторым выравниванием ). Поэтому только POD’ы можно использовать для связи между двумя библиотеками времени выполнения . В частности — для передачи данных из программы в программу, из плагина в плагин, для связи с кодом, написанным на другом языке программирования . Чтобы быстро записать на диск сложный заголовок файла наподобие BMP , можно сформировать его в памяти, а затем записать одной командой — но структура данных, в которой формируем заголовок, также должна быть POD’ом.

Отсутствие управляющего кода

Это значит, что при появлении объекта не нужно вызывать конструктор, при копировании — операцию присваивания, а при уничтожении — деструктор. Это, в свою очередь, даёт следующие преимущества:

Статическая инициализация. Вместо того, чтобы при запуске программы скрытно от программиста вызывать конструктор , POD’ы можно собрать ещё при компиляции программы.
Тривиальное копирование (в том числе копирование массивов) функциями наподобие memcpy .
Опять-таки, это важно для связи между программами: ведь менеджер памяти не должен заниматься управлением в той памяти, которая ему не принадлежит.
Только простые типы могут находиться в union (в Паскале соответственно record/case ).
Функции с побочным эффектом (наподобие системных функций, которые влияют на результат последующего вызова GetLastError ) плохо совместимы с автоматически управляемыми типами.

Языки, в которых все типы являются простыми

Стандартный Паскаль
Си

В C++

В C++ POD определяется от противного. Тип данных является POD’ом, если:

у него нет конструктора , деструктора и копирующей операции присваивания (то есть operator= , принимающего на входе тот же тип);
среди нестатических полей нет ссылок C++, не-POD’ов, private и protected ;
нет виртуальных методов ;
все его базовые классы, если таковые имеются, тоже являются POD’ами.

По стандарту C++ простой тип данных устроен в точности так, как описано (и полностью совместим побайтно по раскладке в памяти со структурой C). Управляемую же структуру компилятор может реорганизовать так, как он сочтёт наиболее эффективным.

Определение POD до C++ 11:

Агрегатом называется либо массив, либо же класс, не имеющий:

private или protected нестатических полей
он сам и все его базы по всей цепочке наследования не имеют явно написанных конструкторов
виртуальных базовых классов, а также базовых классов private или protected
виртуальных методов.

Агрегат можно инициализировать (как в Си) списком вида = {1, 2, 3};

Скаляром называется:

число
указатель
«указатель на член» (ptom, в синтаксисе C::* ptom)
enum
std::nullptr_t

(то есть тип, который не есть класс, массив или ссылка)

PODом называется либо скаляр , либо массив других POD’ов, либо класс, который является агрегатом, и кроме того:

все нестатические поля есть POD’ы
нет полей-ссылок
нет явно написанного operator=()
нет явно написанного деструктора

В C++11

«Предсказуемое устройство в памяти» и «отсутствие управляющего кода» — сходные, но разные свойства типа. Например, структуру данных STRRET , которая в Windows служит для передачи строк из одного менеджера памяти в другой, можно « обернуть » в управляющий код, но второе свойство — предсказуемое устройство — остаётся. Поэтому концепция POD’ов в C++11 разделена на три.

Класс называется «имеющим тривиальный конструктор копирования», если верно все перечисленное ниже:

конструктор копирования автосгенерирован (НЕ написан явно)
в классе нет виртуальных методов
у класса нет виртуальных базовых классов
все базовые классы, а также все поля классовых типов, также имеют тривиальный конструктор копирования.

Автосгенерированный тривиальный конструктор копирования есть memmove().

Точно таким же образом определяются понятия «имеющий тривиальный конструктор умолчания/оператор присваивания/конструктор перемещения/оператор перемещения».

Класс называется «имеющим тривиальный деструктор», если верно все перечисленное ниже:

деструктор автосгенерирован (НЕ написан явно)
деструктор не виртуален (по всей цепочке наследования, конечно же)
все базовые классы, а также все поля классовых типов, также имеют тривиальный деструктор.

Такой класс не требует разрушения, и содержащую его память можно освобождать без очистки.

Класс называется «тривиально копируемым», если у него тривиальны все вышеперечисленные специальные функции-члены (кроме конструктора умолчания, который может быть нетривиален). Скаляры, а также массивы тривиально копируемых объектов, тоже тривиально копируемы. Такие типы могут копироваться через memcpy .

Класс называется «тривиальным», если он тривиально копируем и у него к тому же тривиален конструктор умолчания.

Иными словами, класс является тривиальным , если у него тривиальны:

конструктор по умолчанию T() ;
конструктор копирования T(T&) ;
конструктор перемещения T(T&&) ;
- Отсюда следует, что у тривиального класса нет виртуальных методов и виртуального наследования .
деструктор ~T() ;
operator=(T&) ;
операция перемещения operator=(T&&) .
типы всех полей тривиальны
все базовые классы, если они есть, также тривиальны

Класс является типом со стандартным устройством , если:

все нестатические поля имеют одинаковые права доступа (все private , все protected или все public ).
нет виртуальных методов , виртуального наследования .
нет нестатических полей-ссылок
все нестатические поля и базовые классы также есть «типы со стандартным устройством».
не имеет базовых классов с нестатическими полями, или же не имеет нестатических полей в себе самом, при этом имея не более одного базового класса с нестатическими полями (иными словами, все нестатические поля объявлены в одном-единственном классе во всей иерархии наследования).
не имеет базовых классов того же типа, что первое нестатическое поле.

Поясним последнее условие: в языке не может быть двух разных объектов одного типа с одинаковым адресом, из чего следует, что размер пустого (без нестатических полей) класса не может быть 0 (как минимум 1). Однако для «части B в классе class D : B» сделано исключение, и её размер (если она пуста) может строго равняться нулю, что приводит к отсутствию каких-либо «прокладок» между началом D и его первым полем. Но при этом, если тип первого поля тоже B, исключение применяться не может, ибо (B*)&d и &(d.field1) указывают на разные объекты одного и того же типа, и потому «прокладка» нужна. Последнее условие из списка выше означает не более чем «в классах стандартного устройства таковая прокладка запрещена».

У таких типов предсказуемое устройство в памяти (например, адрес объекта как целого совпадает с адресом его первого поля, естественно, после reinterpret_cast в один и тот же тип, например в void*), их можно передавать в другую библиотеку времени выполнения и в другие языки программирования.

Тогда POD — это массив других PODов, или скаляр, или тривиальный класс со стандартным устройством, все нестатические поля которого тоже POD’ы.

Для работы с константами, вычисляемыми при компиляции, и статической инициализации в C++11 есть более мягкое понятие — литеральный тип . А именно:

либо тривиальный конструктор по умолчанию T() , либо какой-нибудь конструктор (кроме конструктора копирования и перемещения) отмечен как constexpr ;
конструктор копирования T(T&) тривиальный;
- отсюда следует, что у литерального класса нет виртуальных методов и виртуального наследования .
конструктор перемещения T(T&&) тривиальный или запрещён;
тривиальный деструктор ~T() ;
унаследован от литеральных типов;
все его нестатические поля литеральные.

PODы и инициализация «по умолчанию» и «значением»

Начиная с C++ 03, существует разница между записями T t; и T t();, а равно между new T и new T().

Версия с пустыми скобками называется «инициализация значением», а без них — «инициализация по умолчанию».

Инициализация по умолчанию: если конструктор умолчания тривиален, то не делается ничего, в объекте остается мусор. Если же конструктор умолчания нетривиален, то он исполняется.

Инициализация значением: если есть явно написанный конструктор умолчания, то он исполняется. Если же нет (то есть если конструктор умолчания тривиален или же сгенерирован автоматически), то объект сначала зануляется, и только потом исполняется конструктор (если он нетривиален). Скалярные типы при инициализации значением зануляются.

В Embarcadero Delphi

Простыми структурами данных считаются все типы, кроме:

новых строк неограниченной длины ( AnsiString , WideString , UnicodeString ). Впрочем, если не задевать скрытые управляющие поля, а работать только с данными, System.Copy использовать можно — не забывая, конечно, что несколько строк могут ссылаться на одну память и прежде надо вызвать функцию UniqueString ;
интерфейсов COM ;
динамических массивов;
типов, которые содержат один из упомянутых трёх;
новых объектов типа class . Впрочем, TObject , TButton и т. д. — это указатели на объект и всегда являются простыми типами!