Cấu trúc bù đắp và an toàn con trỏ trong C++

Question

Câu hỏi này là về con trỏ bắt nguồn bằng cách sử dụng số học con trỏ với cấu trúc bù đắp.

Hãy xem xét các chương trình sau đây:

#include <cstddef> 
#include <iostream> 
#include <new> 

struct A { 
    float a; 
    double b; 
    int c; 
}; 

static constexpr auto off_c = offsetof(A, c); 

int main() { 
    A * a = new A{0.0f, 0.0, 5}; 
    char * a_storage = reinterpret_cast<char *>(a); 
    int * c = reinterpret_cast<int *>(a_storage + off_c)); 

    std::cout << *c << std::endl; 

    delete a; 
} 

chương trình này xuất hiện để làm việc và đưa ra kết quả mong đợi trên các trình biên dịch mà tôi thử nghiệm, sử dụng các thiết lập mặc định và C++ 11 tiêu chuẩn.

(Một chương trình có liên quan chặt chẽ, nơi mà chúng tôi sử dụng void * thay vì char * và static_cast thay vì reinterpret_cast, không chấp nhận rộng rãi. gcc 5.4 vấn đề một cảnh báo về con trỏ số học với con trỏ void, và clang 6.0 nói rằng con trỏ số học với void * là một lỗi.)

Chương trình này có hành vi được xác định rõ theo tiêu chuẩn C++ không?

Câu trả lời có phụ thuộc vào việc triển khai có an toàn cho con trỏ thoải mái hay nghiêm ngặt ([basic.stc.dynamic.safety]) không?

Answer 1

Không có lỗi cơ bản nào trong mã của bạn.

Nếu A không phải là dữ liệu cũ, ở trên là UB (trước C++ 17) và được hỗ trợ có điều kiện (sau C++ 17).

Bạn có thể muốn thay thế char* và int* bằng auto*, nhưng đó là một điều phong cách.

Lưu ý rằng các con trỏ tới các thành viên thực hiện điều tương tự chính xác này theo cách an toàn kiểu. Hầu hết các trình biên dịch thực hiện một con trỏ tới thành viên ... là phần bù của thành viên trong kiểu. Họ làm, tuy nhiên, làm việc ở khắp mọi nơi ngay cả trên cấu trúc không pod.

Bên cạnh: Tôi không thấy bảo đảm rằng offsetof là constexpr trong tiêu chuẩn. ;)

Trong mọi trường hợp, thay thế:

static constexpr auto off_c = offsetof(A, c); 

với

static constexpr auto off_c = &A::c; 

và

auto* a_storage = static_cast<char *>(a); 
    auto* c = reinterpret_cast<int *>(a_storage + off_c)); 

với

auto* c = &(a->*off_c); 

để thực hiện theo cách C++.

Answer 2

Nó an toàn trong ví dụ cụ thể của bạn, nhưng chỉ vì cấu trúc của bạn là bố cục tiêu chuẩn, bạn có thể kiểm tra kỹ bằng cách sử dụng std::is_standard_layout<>.

Đang cố gắng để áp dụng điều này để một struct như:

struct A { 
    float a; 
    double b; 
    int c; 
    std::string str; 
}; 

Sẽ là bất hợp pháp, thậm chí nếu chuỗi là quá khứ một phần của struct có liên quan.

Sửa

Heres những gì im liên quan abt: trong 3.7.4.3 [basic.stc.dynamic.safety] nó nói con trỏ có nguồn gốc một cách an toàn chỉ if (điều kiện) và nếu chúng ta có con trỏ an toàn nghiêm ngặt sau đó một con trỏ không hợp lệ nếu nó không đến từ một nơi như vậy. Trong số học con trỏ 5.7, nó nói rằng tôi có thể làm số học thông thường trong một mảng nhưng tôi không thấy bất cứ điều gì có nói cho tôi struct số học bù đắp là ok. Tôi đang cố gắng tìm hiểu xem điều này có liên quan theo cách tôi nghĩ hay không, hoặc nếu cấu trúc bù trừ số học không ok trong giả thuyết "nghiêm ngặt", hoặc nếu tôi đọc 5.7 sai (n4296)

Khi bạn đang làm con trỏ số học, bạn đang thực hiện nó trên một mảng của char, kích thước trong đó là ít nhất sizeof(A), do đó, đó là tốt.

Sau đó, khi bạn cast trở lại vào thành viên thứ hai, bạn được bảo hiểm theo (2.4):

- kết quả của một sự chuyển đổi được xác định rõ con trỏ (4.10, 5.4) của một con trỏ một cách an toàn có nguồn gốc từ giá trị;

Answer 3

bạn nên kiểm tra các giả định của mình.

Giả định # 1) offsetof cung cấp bù đắp chính xác theo byte. Điều này chỉ được đảm bảo nếu lớp được coi là "bố cục chuẩn", có một số hạn chế, chẳng hạn như không có phương thức ảo, tránh nhiều thừa kế, v.v. Trong trường hợp này, nó sẽ ổn, nhưng nói chung bạn không thể chắc chắn.

Giả định # 2) Một char có cùng kích thước với byte. Trong C, điều này là theo định nghĩa, vì vậy bạn được an toàn.

Giả định # 3) offsetof cung cấp bù đắp chính xác từ con trỏ đến lớp, không phải từ đầu dữ liệu. Điều này về cơ bản giống như # 1, nhưng một vtable chắc chắn có thể là một vấn đề. Một lần nữa, chỉ hoạt động với bố cục chuẩn.