Question

对于下面的示例，可能导致undefined behavior的原因是什么？和为什么？

#include <cstddef> 
#include <iostream> 

template <typename Ty> 
bool in_range(const Ty *test, const Ty *r, size_t n) 
{ 
    return 0 < (test - r) && (test - r) < (std::ptrdiff_t)n; 
}

void f() { 
     double foo[10]; 
     double *x = &foo[0]; 
     double bar; 
     std::cout << std::boolalpha << in_range(&bar, x, 10);
}

我在When is pointer subtraction undefined in C?

中找不到答案

Answer 1

指针算法，包括两个指针的减法，仅在指针指向同一数组中的元素或超过该数组末尾的元素时才定义。在此上下文中，标量计为大小为1的数组。

在任何其他实例中允许指针运算是没有意义的。要做到这一点会不必要地限制C的内存模型，并可能削弱其灵活性和移植到异国情调架构的能力。

Answer 2

对于代码，正如您所编写的那样，C ++的答案基本上与C的答案相同：当且仅当涉及的两个指针引用同一数组的部分时，才会得到定义的行为，或者在结束之前（如@bathsheba已经指出的那样，非数组对象被视为与一个项目的数组相同）。

然而，

C ++确实增加了一条可能对此有用的皱纹：即使在进行有意义的结果时，也不需要减法或有序比较（例如，<）应用于指向单独对象的指针，std::less<T>和朋友，<functional> 需要这样做。所以，给出两个单独的对象：

Object a;
Object b;

...将两个对象的地址与比较对象进行比较必须＆＃34;产生在这些特化之间一致的严格总顺序，并且与内置运算符强加的部分顺序一致＆lt; ，＆gt;，＆lt; =，＆gt; =。＆＃34; （N4659，[比较] / 2）。

因此，您可以编写如下函数：

template <typename Ty> 
bool in_range(const Ty *test, const Ty *begin, const Ty *end) 
{ 
    return std::less_equal<Ty>()(begin, test) && std::less<Ty>()(test, end);
}

如果你真的想要维护原始的功能签名，你也可以这样做：

template <typename Ty> 
bool in_range(const Ty *test, const Ty *r, size_t n) 
{ 
    auto end = r + n;
    return std::less_equal<Ty>()(r, test) && std::less<Ty>()(test, end);
}

[请注意，我已使用std::less_equal为第一次比较编写了它，第二次使用std:less来匹配C ++的典型预期语义，其中范围定义为{{ 1}}。 ]

这确实带有一个附带条件：您需要确保[begin, end)指向至少r项¹的数组的开头，否则{ {1}}将产生未定义的行为。

至少对于我期望的这种函数的典型用例，你可以通过传递数组本身来简化使用，而不是指针和显式长度：

在这种情况下，您只需传递数组的名称和要测试的指针：

auto end = r + n;

此仅支持对实际数组进行测试。如果您尝试传递一个非数组项作为第一个参数，它只是不会编译：

template <class Ty, size_t N>
bool in_range(Ty (&array)[N], Ty *test) {
    return  std::less_equal<Ty *>()(&array[0], test) && 
            std::less<Ty *>()(test, &array[0] + N);
}

前者可能会阻止一些事故。后者可能不是很理想。如果我们想要支持两者，我们可以通过重载来实现（对于所有三种情况，如果我们选择）：

int foo[10];
int *bar = &foo[4];

std::cout << std::boolalpha << in_range(foo, bar) << "\n"; // returns true

^{1.如果你想获得真正的技术，它不必指向数组的开头 - 它必须指向一个数组的一部分，后面跟着至少{{1}数组中的项目。
功能}

Answer 3

在这种情况下，未定义的行为通常不会导致崩溃，但是会导致无意义或不一致的结果。

在大多数现代体系结构中，减去2个不相关的指针只是计算地址差除以指针类型的大小，大约是：

    A *p1, *p2;
    ...
    ptrdiff_t diff = ((intptr_t)p2 - (intptr_t)p1) / (intptr_t)sizeof(*p1);

行为异常的架构示例是英特尔的16位分段大中型机型：

这些模型在386及其32位模型问世之前曾经在PC上盛行。
远指针分为两部分存储：一个16位段（或处于保护模式的选择器）和一个16位偏移量。
比较2个指针是否相等需要2条单独的比较指令以及该段和偏移量的条件跳转。
比较指向NULL的指针通常被优化为将段部分与0进行一次比较
仅对偏移量部分减去2个指针并进行相对位置比较，无声地假设两个指针都指向同一数组，因此具有相同的段。
在您的示例中，两个对象都具有自动存储功能，因此它们都位于同一段中，指向SS，但是对于从堆分配的2个对象，您可以拥有p <= q && q <= p和{{ 1}}，或者p != q与p - q == 0一起被未定义的行为覆盖。

为什么指针减法是C ++中未定义的行为？

3 个答案: