Question

C ++ 17（expr.add/4）说：

添加或减去具有整数类型的表达式时从指针开始，结果具有指针操作数的类型。如果表达式P指向具有n的数组对象x的元素x [i] 元素，表达式P + J和J + P（其中J的值为j）如果0≤i+j≤n，则指向（可能是假设的）元素x [i + j]; 否则，行为未定义。同样，表达式P-J 如果0≤i-j≤n，则指向（可能是假设的）元素x [i-j]; 否则，行为未定义。

struct Foo {
    float x, y, z;
};

Foo f;
char *p = reinterpret_cast<char*>(&f) + offsetof(Foo, z); // (*)
*reinterpret_cast<float*>(p) = 42.0f;

该行标有（*）UB吗？ reinterpret_cast<char*>(&f)不指向char数组，而是指向float，因此根据引用的段落它应该是UB。但是，如果它是UB，那么offsetof的用处将是有限的。

是UB吗？如果没有，为什么不呢？

Answer 1

此添加旨在有效，但我不相信该标准设法说得那么清楚。引用N4140（大致是C ++ 14）：

3.9类型[basic.types]

2对于普通可复制类型T的任何对象（基类子对象除外），无论对象是否包含类型T的有效值，基础字节（1.7）都会生成向上对象可以复制到数组中   char或unsigned char。⁴² [...]

^{42）例如，使用库函数（17.6.1.2）std::memcpy或std::memmove。}

它说＆＃34;例如＆＃34;因为std::memcpy和std::memmove不是允许复制基础字节的唯一方法。手动复制的简单for循环也应该是有效的。

为了使其工作，必须为构成对象的原始字节的指针定义加法，并且表达式的定义方式有效，加法的定义不能取决于是否添加＆＃39 ; s结果随后将用于将字节复制到数组中。

这是否意味着那些字节已经形成一个数组，或者这是否是+运算符的一般规则的特殊例外，在运算符描述中以某种方式被省略，我不清楚（我怀疑前者）），但无论哪种方式都会使您在代码中执行的添加有效。

Answer 2

任何不允许offsetof使用的解释都必须是错误的：

#include <assert.h>
#include <stddef.h>
struct S { float a, b, c; };

const size_t idx_S[] = {
    offsetof(struct S, a),
    offsetof(struct S, b),
    offsetof(struct S, c),
};

float read_S(struct S *sp, unsigned int idx)
{
    assert(idx < 3);
    return *(float *)(((char *)sp) + idx_S[idx]); // intended to be valid
}

但是，任何允许人们超越显式声明的数组结尾的解释也必须是错误的：

#include <assert.h>
#include <stddef.h>
struct S { float a[2]; float b[2]; };

static_assert(offsetof(struct S, b) == sizeof(float)*2,
    "padding between S.a and S.b -- should be impossible");

float read_S(struct S *sp, unsigned int idx)
{
    assert(idx < 4);
    return sp->a[idx]; // undefined behavior if idx >= 2,
                       // reading past end of array
}

我们现在处于两难境地，因为C和C ++标准中的措辞，旨在禁止第二种情况，可能也不允许第一种情况。

这通常被称为“什么是对象？”问题。自20世纪90年代以来，人们，包括C和C ++委员会的成员，一直在争论这个问题和相关问题，并且已经多次尝试修复措辞，据我所知，没有人成功（在所有意义上现有的“合理”代码绝对符合要求，并且仍允许所有现有的“合理”优化。

（注意：以上所有代码都是用C语言编写的，以强调两种语言都存在相同的问题，并且可以在不使用任何C ++构造的情况下遇到。）

Answer 3

据我所知，您的代码有效。根据§3.10¶10.8明确允许将对象别名为char数组：

如果程序试图通过以下类型之一以外的glvalue访问对象的存储值，则行为未定义：


[...]

char或unsigned char类型。

另一个问题是，是否将char*指针强制转换回float*并通过它指定是有效的。由于您的Foo是POD类型，因此可以。您可以计算POD成员的地址（假设计算本身不是UB），然后通过该地址访问该成员。例如，您不得滥用此权限来访问非POD对象的private成员。此外，如果您倾向于转换为int*或写入不存在float类型的对象的地址，那么它将是UB。这背后的原因可以在上面引用的部分找到。

Answer 4

是的，这是不确定的。如您在问题中所述，

reinterpret_cast<char*>(&f)不是指向char数组，而是指向浮点数，...

... reinterpret_cast<char*>(&f) does even not point to a char，因此即使对象表示形式为char数组，其行为仍未定义。

对于offsetof，您仍然可以像

一样使用它

struct Foo {
    float x, y, z;
};

Foo f;
auto p = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(&f) + offsetof(Foo, z); 
                       // ^^^^^^^^^^^^^^
*reinterpret_cast<float*>(p) = 42.0f;

Answer 5

请参见CWG 1314

根据6.9 [basic.types]第4段，


类型T的对象的对象表示形式是由类型T的对象占用的N个无符号字符对象的序列，其中N等于sizeof（T）。


和4.5 [介绍对象]第5段，


普通可复制或标准布局类型（6.9 [basic.types]）的对象应占据连续的存储字节。


这些段落是否使标准布局对象中的指针算术运算（8.7 [expr.add]第5段）得到了明确定义（例如，用于编写自己的memcpy版本）？

理论值（2011年8月）：

当前的措辞足够清楚，表明可以使用这种用法。

我强烈不同意CWG的说法，即“当前措词已经足够清楚”，但这是我们的裁定。

我将CWG的响应解释为，建议将指向unsigned char的指针转换为普通可复制或标准布局类型的对象，以进行指针算术，应将其解释为指向{{ 1}}的大小等于所讨论对象的大小。我不知道他们是否打算使用unsigned char指针或char指针（从C ++ 17开始）也可以使用它。（也许如果他们决定进行实际澄清，而不是声称现有措辞足够清楚，那么我会知道答案的。）

（一个单独的问题是是否需要std::byte才能使OP的代码定义正确。我在这里不做介绍；我认为这值得一个单独的问题。）

添加到“char *”指针UB，当它实际上没有指向char数组？

5 个答案: