Option 类型是否小于包装类型加上布尔值？

Question

use std::mem::size_of;

struct Position {
    x: f32,
    y: f32,
    z: f32,
}

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // 4 bytes
    used: bool, // 1 bytes + 3 (padding)
    component: Position, // 12 bytes
}


assert_eq!(size_of::<u32>(), 4);
assert_eq!(size_of::<Position>(), 12);
assert_eq!(size_of::<PoolItem>(), 20);

如你所见，这样的结构有20个字节长。 Position 实际上是可选的，取决于 used.

使用 Option 是否会消除对 used 字段的需求并将结构大小减小到 16？

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // 4 bytes
    component: Option<Position>, // 12 bytes ?
}

如果是这样，Option 是如何实现这种行为的？

我在 Playground 上的测试似乎表明它不起作用。为什么？

Answer 1

Option 的精确实现并不重要。显而易见的是，您无法在 X 存储量中存储 X 数据量并且也存储数据是否存在。 Option 的一个明显实现是存储对象和指示对象是否存在的布尔值；显然类似的事情正在发生。 Option 是方便，还是得把信息存放在某处。

请注意，在 struct 之外（必须具有一致的大小）Option 可能会避免此成本，如果优化器确定 Option 已知 "populated or not" 状态在任何时候，因此布尔值可能被省略以支持代码始终以正确的方式确定性地使用它（如果逻辑上存在，则从堆栈中读取对象，或者不这样做当它没有时）。但在这种情况下，需要额外的数据。

Answer 2

Option<Position>需要存储状态（Some或None）某处，因为Position已经包含12字节的信息，您需要更多 space 来存储它。通常这意味着它会添加一个额外的字节（加上填充）来存储状态，尽管在某些情况下内部类型具有已知的未使用状态。例如，引用可以指向地址 0，因此 Option<&'_ T> 可以使用 0 作为 None 状态并占用与 &'_ T 相同的字节数.但是，对于您的 Position 类型，情况并非如此。

如果你绝对需要你的 PoolItem 结构尽可能小，并且你可以从你的 entity_id 字段中腾出一位（比如，最高位，2³¹)，你可以用它来存储状态：

const COMPONENT_USED_BIT: u32 = (1u32 << 31);

struct PoolItem {
    entity_id: u32, // lowest 31 bits = entity ID, highest bit = "component used"
    component: Position,
}

这可能会变得有点复杂，因为您需要确保对该位进行特殊处理，但您可以编写几个简单的访问器方法来确保正确处理该特殊位。

impl PoolItem {
    /// Get entity ID, without the "component used" bit
    fn entity_id(&self) -> u32 {
        self.entity_id & !COMPONENT_USED_BIT
    }

    /// Set entity ID, keeping the existing "component used" bit
    fn set_entity_id(&mut self, entity_id: u32) {
        let component_used_bit = self.entity_id & COMPONENT_USED_BIT;
        self.entity_id = (entity_id & !COMPONENT_USED_BIT) | component_used_bit;
    }

    /// Get component if "component used" bit is set
    fn component(&self) -> Option<&Position> {
        if self.entity_id & COMPONENT_USED_BIT != 0 {
            Some(&self.component)
        } else {
            None
        }
    }

    /// Set component, updating the "component used" bit
    fn set_component(&mut self, component: Option<Position>) {
        if let Some(component) = component {
            self.component = component;
            self.entity_id |= COMPONENT_USED_BIT;
        } else {
            self.entity_id &= !COMPONENT_USED_BIT;
        }
    }
}

Playground example with tests

Answer 3

正如评论中所建议的，另一种方法是将 Option 与 NonZeroU32 一起用于 entity_id，并依靠 Some 和 None 进行检查是否使用实体。

struct PoolItem {
    entity_id: Option<core::num::NonZeroU32>, // 4 bytes
    component: Position, // 12 bytes
}

fn main() {
    assert_eq!(size_of::<u32>(), 4);
    assert_eq!(size_of::<Position>(), 12);
    assert_eq!(size_of::<PoolItem>(), 16);
}

它使实体 ID 从 1 开始。

Playground

Option 类型是否小于包装类型加上布尔值？

Is an Option type smaller than the wrapped type plus a boolean?

struct

boolean

padding

optional

rust