POD (程式设计)
Plain old data structure, 缩写为POD, 是C++语言的标准中定义的一类数据结构[1],POD适用于需要明确的数据底层操作的系统中。POD通常被用在系统的边界处,即指不同系统之间只能以底层数据的形式进行交互,系统的高层逻辑不能互相兼容。比如当对象的字段值是从外部数据中构建时,系统还没有办法对对象进行语义检查和解释,这时就适用POD来存储数据。
定义
[编辑]POD类型包括下述C++类型,以及其cv-qualified的类型,还有以其为基类型的数组类型[2]:
- 标量类型(scalar type)
- POD类类型(POD class type)
标量类型
[编辑]术语标量类型包括下述C++类型范畴, 以及其cv-qualified类型[3]:
- 算术类型(arithmetic type)
- 枚举类型(enumeration type)
- 指针类型(pointer type)
- 指针到成员类型(pointer-to-member type)
术语算术类型包括下述C++类型范畴[4]:
- 整数类型(integral type)
- 浮点类型(floating type)
术语整数类型包括下述C++类型范畴[5]:
- 有符号整数类型 (signed char, short, int, long),
- 无符号整数类型(unsigned char, unsigned short, unsigned int, unsigned long),
- 字符类型char与宽字符类型wchar_t
- 布尔类型bool。
术语浮点类型包括C++的float, double, and long double类型[4].
术语枚举类型包括各种枚举类型,即命名的常量值(named constant values)的集合[6].
术语指针类型包括下述C++类型范畴[7]:
- 空指针pointer-to-void (void *),
- 对象指针pointer-to-object与指向静态数据成员的指针pointer-to-static-member-data (都是形如为T*,其中T是对象类型),
- 函数指针pointer-to-function与指向静态成员函数的指针pointer-to-static-member-function (都是形如T (*)(...),T是函数的返回值的类型).
术语指针到成员类型包括下述C++类型范畴[7]:
- 指针到非静态数据成员(pointer-to-nonstatic-member-data), 形如T C::* 表示指向类C的类型为T的数据成员的指针;
- 指针到非静态成员函数(pointer-to-nonstatic-member-functions), 形如T (C::*)(...) 表示指向类C的返回值类型为T的成员函数的指针.
POD类类型
[编辑]POD类类型是指聚合类(aggregate classes, 即POD-struct types)与聚合union (POD-union types),且不具有下述成员[8]:
- 指针到成员类型的非静态数据成员(包括数组)。
- 非POD类类型的非静态数据成员(包括数组)。
- 引用类型的(reference type)非静态数据成员。
- 用户定义的拷贝与赋值算子。
- 用户定义的析构函数。
术语聚合是指任何的数组或者类,且不具有下述特征[9]:
- 用户定义的构造函数。
- 私有或保护的非静态数据成员。
- 基类。
- 虚函数。
可见,POD类类型就是指class、struct、union,且不具有用户定义的构造函数、析构函数、拷贝算子、赋值算子;不具有继承关系,因此没有基类;不具有虚函数,所以就没有虚表;非静态数据成员没有私有或保护属性的、没有引用类型的、没有非POD类类型的(即嵌套类都必须是POD)、没有指针到成员类型的(因为这个类型内含了this指针)。
C++11
[编辑]C++11把情况推广为两种:
类型是平凡的(trivial),则可以静态初始化、可以用memcpy直接复制数据而不是必须用copy构造函数。其生存期始于它的对象的存储被定义,无须等到构造函数完成。平凡class或结构必须满足:
- 有平凡的缺省构造函数,可用这样的默认语法:(SomeConstructor() = default;)
- 有平凡的copy与move构造函数,可用默认语法.
- 有平凡的copy与move运算符,可用默认语法.
- 有平凡的destructor,不能是虚函数.
构造函数是平凡的,仅当类没有虚成员函数也没有虚基类。Copy/move运算符是平凡的,仅当没有静态数据成员。
类型是标准布局的(standard-layout)意味着它是有序的并且安排其成员兼容于C语言。这要求满足:
- 没有虚函数
- 没有虚基类
- 所有非静态数据成员有相同的访问控制(public, private, protected)
- 所有非静态数据成员,包括在任何基类中的,存在于类继承体系中的一个类中
- 上述规则适用于所有基类与类继承体系中的所有非静态数据成员
- 没有同一类型的基类型被定义为第一个非静态数据成员
一个class/struct/union是POD,当它是平凡的、标准布局的,所有数据成员是POD.
分为两个概念,对象可以不满足其中一个但是满足另外一个。例如,类有复杂的move与copy构造函数,因此不是平凡的,但可能是标准布局因此能与C程序互操作。类似地,一个类的有public与private的非静态数据成员,因此不是标准布局,但可以是平凡的因此可以memcpy操作。
用途
[编辑]POD类型在原始码兼容于ANSI C时非常重要。POD对象与C语言的对应对象具有共同的一些特性,包括初始化、复制、内存布局、寻址。
一个例子是下述C++的new表达式中的对象初始化,POD与non-POD的区别[10]:
表达式 | POD类型T | non-POD类型T |
---|---|---|
new T | 不初始化 | 缺省初始化 |
new T() | 总是缺省初始化 | |
new T(x) | 总是调用构造函数初始化 |
因此,non-POD类型的对象或数组总是被初始化;而POD类型的对象或数组可能未被初始化.
其它与POD相关的C++特性:
- 内存布局——POD对象的组成字节是连续的[11].
"POD-struct ... types are layout-compatible if they have the same number of members, and corresponding members (in order) have layout-compatible types"[12].
POD-union ... types are layout-compatible if they have the same number of members, and corresponding members (in any order) have layout-compatible types"[13].
- 初始化——对于non-const POD对象,如果没有初始化声明时,具有不确定的初值(indeterminate initial value) [14]. POD对象的缺省初始化为0值[15]. 静态POD对象初始化为给定的初值,如果是局部静态POD对象,在进入所在作用域之前初始化[16][§6.7, ¶4]; 对于非局部静态POD对象,在任何动态初始化之前赋予初值[17].
- 拷贝——POD对象可直接拷贝(例如用memcpy())到其它字符数组或相同POD类型的对象,保持其值不变[18]。POD类型可以用作标准模板字符串类的字符[19]. 由于这个原因,函数的返回值如果是non-POD类型,则不能通过寄存器传递函数的返回值。
- 寻址——一个POD对象的地址可以是一个地址常量表达式[20];一个对POD成员的引用可以是一个引用常量表达式[21]. 一个POD-struct对象的指针,适合用reinterpret_cast转换到它的初始值[22].
POD JAVA
[编辑]JAVA中,一些开发者认为POD类型是符合没有public成员且没有方法的类,比如data transfer object。其实不使用事件句柄并且不实现除getter和setter之外的附加方法的POJO(只含有getter和setter的类)和JAVA Bean也属于POD。但不管怎么样,POJO和JAVA Bean已经有了封装,已经违反了POD的定义了。
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ ISO/IEC 14882, first edition, 1998-09-01 p. 5, footnote 4]
- ^ 参见C++标准的§3.9, ¶10; §9, ¶4
- ^ 参见C++标准§3.9, ¶10
- ^ 4.0 4.1 参见C++标准§3.9.1, ¶8
- ^ 参见C++标准§3.9.1, ¶7
- ^ 参见C++标准§3.9.1, ¶1; §7.2, ¶1
- ^ 7.0 7.1 参见C++标准§3.9.2, ¶1
- ^ 参见C++标准§9, ¶4
- ^ 参见C++标准§8.5.1, ¶1
- ^ 参见C++标准§5.3.4, ¶15
- ^ 参见C++标准§1.8, ¶5
- ^ 参见C++标准§9.2, ¶14
- ^ 参见C++标准§9.2, ¶15
- ^ 参见C++标准§8.5, ¶9
- ^ 参见C++标准§8.5, ¶5
- ^ 参见C++标准§6.7, ¶4
- ^ 参见C++标准§3.6.2, ¶1
- ^ 参见C++标准§3.9, ¶2与3
- ^ 参见C++标准§21, ¶1
- ^ 参见C++标准§5.19, ¶4
- ^ 参见C++标准§5.19, ¶5
- ^ 参见C++标准§9.2, ¶17