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基于通用char []的存储并避免与严格别名相关的UB

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我'm trying to build a class template that packs a bunch of types in a suitably large char array, and allows access to the data as individual correctly typed references. Now, according to the standard this can lead to strict-aliasing violation, and hence undefined behavior, as we'通过与其不兼容的对象访问 char[] 数据 . 具体来说，标准规定：

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：对象的动态类型，对象的动态类型的cv限定版本，a类型（如4.4中所定义）类型为对象的动态类型，类型是对应的动态类型的有符号或无符号类型，类型是对应于cv限定版本的有符号或无符号类型对象的动态类型，聚合或联合类型，包括其元素或非静态数据成员中的上述类型之一（递归地，包括子聚合或包含联合的元素或非静态数据成员），一种类型，它是对象的动态类型（可能是cv限定的）基类类型，char或unsigned char类型 .

鉴于突出显示的要点的措辞，我想出了以下 alias_cast 想法：

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
T alias_cast(void *p) {
    typedef typename std::remove_reference<T>::type BaseType;
    union UT {
        BaseType t;
    };
    return reinterpret_cast<UT*>(p)->t;
}

template <typename T, typename U>
class Data {
    union {
        long align_;
        char data_[sizeof(T) + sizeof(U)];
    };
public:
    Data(T t = T(), U u = U()) { first() = t; second() = u; }
    T& first() { return alias_cast<T&>(data_); }
    U& second() { return alias_cast<U&>(data_ + sizeof(T)); }
};


int main() {
    Data<int, unsigned short> test;
    test.first() = 0xdead;
    test.second() = 0xbeef;
    std::cout << test.first() << ", " << test.second() << "\n";
    return 0;
}

（上面的测试代码，特别是 Data 类只是这个想法的一个愚蠢的演示，所以请不要指出我应该如何使用 std::pair 或 std::tuple . 还应该扩展 alias_cast 模板以处理cv限定类型和它只有满足对齐要求才能安全使用，但我希望这个片段足以证明这个想法 . ）

这个技巧通过g（当使用 g++ -std=c++11 -Wall -Wextra -O2 -fstrict-aliasing -Wstrict-aliasing 编译时）使警告静音，并且代码可以工作，但这是否真的是告诉编译器跳过基于严格别名的优化的有效方法？

如果它无效，那么如何在不违反别名规则的情况下实现基于char数组的通用存储类？

编辑：用简单的 reinterpret_cast 替换 alias_cast ，如下所示：

T& first() { return reinterpret_cast<T&>(*(data_ + 0)); }
U& second() { return reinterpret_cast<U&>(*(data_ + sizeof(T))); }

使用g编译时会产生以下警告：

aliastest-so-1.cpp：实例化'T＆Data :: first（）[用T = int; U = short unsigned int]'：aliastest-so-1.cpp：28：16：从这里需要aliastest-so-1.cpp：21：58：警告：解除引用类型惩罚指针将破坏严格别名规则[ - Wstrict走样]

c++ c++11 undefined-behavior strict-aliasing type-punning

1 回答

  • 3

    如果你想坚持严格的一致性，使用联合几乎不是一个好主意，它们在阅读活跃成员时只有严格的规则（仅限这一个） . 虽然必须说实现类似于使用联合作为可靠行为的钩子，也许这就是你所追求的 . 如果是这种情况，我会按照别名规则编写a nice (and long) article的Mike Acton，在那里他评论通过联盟进行投射 .

    据我所知，这是你应该如何处理char类型的数组作为存储：

    // char or unsigned char are both acceptable
alignas(alignof(T)) unsigned char storage[sizeof(T)];
::new (&storage) T;
T* p = static_cast<T*>(static_cast<void*>(&storage));

    定义为有效的原因是 T 是此处对象的动态类型 . 当新表达式创建了 T 对象时，存储被重用，该操作隐式地结束了 storage 的生命周期（这通常是因为 unsigned char 是一个很好的平凡类型） .

    您仍然可以使用例如 storage[0] 读取对象的字节，因为这是通过 unsigned char 类型的glvalue读取对象值，这是列出的显式异常之一 . 另一方面，如果 storage 是一个不同但仍然微不足道的元素类型，你仍然可以使上面的代码片段工作，但是无法做 storage[0] .

    使片段合理的最后一块是指针转换 . 请注意， reinterpret_cast 不适用于一般情况 . 它可以是有效的，因为 T 是标准布局（对齐也有额外的限制），但如果是这种情况，那么使用 reinterpret_cast 将等同于 static_cast 通过 void 就像我做的那样 . 首先直接使用该表单更有意义，特别是考虑到存储的使用在通用上下文中发生了很多 . 在任何情况下，转换为 void 和从 void 转换是标准转换之一（具有明确定义的含义），并且您希望 static_cast 用于那些转换 .

    如果你担心指针转换（我认为这是最薄弱的环节，而不是关于存储重用的争论），那么另一种方法是做

    T* p = ::new (&storage) T;

    如果你想跟踪它，它会在存储中花费额外的指针 .

    我衷心建议使用 std::aligned_storage .

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