调用从不兼容类型转换的零数据结构的成员函数 - 未定义？

Question

在不可修改的标头中声明了一个前向 C 结构。我想“虚拟地”向它添加便利的成员函数。显然，我的第一选择是扩展结构并将方法添加到派生类。不能做，因为结构本身在标题中被声明为“转发”，所以我收到错误“错误：不完整类型的无效使用......”。如果我尝试使用旧结构的单个元素定义新结构，我会收到类似的错误。这很糟糕。

但是，我想我可以用 reinterpret_cast 做一些hacky 来让它正常工作。它的方式是这样的：

//defined in header
struct A forward;
void do_something_with_A(A* a, int arg);

//defined in my wrapper
struct B {
  B* wrap(A* a) {return reinterpret_cast<B*>(a); }
  void do_something(int arg) {do_something_with_A(reinterpret_cast<A*>(this),arg); }
}

如果我添加了从 B 类型到 A 类型的隐式转换，我认为这可以几乎将 B 视为 A 的零数据继承者。但是，这显然会带来问题：这在 C++ 中是未定义的吗？通常我会认为访问非法转换的结构的元素是未定义的；这就说得通了。但是，我认为从一种类型到另一种类型的 reinterpret_casting，传递该指针，然后再次转换，中间不做任何非法的事情就可以了。我还认为编译器实现非虚拟结构成员的方式是创建一个函数

B::do_something(B* b, int arg)

并使用 B 的适当参数调用它。然后这会简化为前一种情况，根据我的可疑逻辑，这是可以的。所以我认为在一个实际上是 reinterpret_cast A 的结构上调用 .do_something 是可以的。

然而，这并没有说明 C++ 标准在这个问题上的实际说法。有什么帮助吗？此外，如果有人知道这在实际工作中的效果如何（即“每个编译器都接受这个”，或“这仅适用于少数编译器”），这也会有所帮助，但效果稍差。

Answer 1

我相信，如果您将 A* 转换为 B*，然后再次将其转换回 A*，那么标准会说您没问题。这些将是 reinterpret_casts，但不是 static_casts。

但是正常的解决方案到底有什么问题呢？

class B
{
private:
  A* ptr;
public:
  B(A* p) : ptr(p) {}
  void do_something(int arg) { do_something_with_A(ptr,arg); }
};

似乎与您的解决方案一样高效，而且不那么麻烦。

Answer 2

如果您使用static_cast，我认为这不起作用，因为您不能在两个完全不相关的类类型之间使用static_cast。具体来说，如果您有一个A* 类型的指针并尝试将其转换为B* 类型的指针，则static_cast 只有在此声明有效时才会成功：

B* ptr(myAPtr);

或者如果B 不是从A 虚拟派生的（它不是）。有关此细节的详细信息，请参阅 ISO 规范 §5.2.9。如果我们考虑上述声明，那么在所有 §4 中唯一可能应用的转换是 §4.10 中的转换，其中唯一可能适用的转换是从基类到派生类的转换（§4.10/3） ，但这不适用于这里，因为 A 和 B 不是相关类型。

你可以在这里使用的唯一演员是reinterpret_cast，而且看起来这也不起作用。特别是，跨类层次结构的强制转换行为是 (§5.2.10/7)

指向对象的指针可以显式转换为指向不同类型对象的指针。65) 除了将类型“指向 T1”的右值转换为类型“指向 T2”（其中 T1和 T2 是对象类型，并且 T2 的对齐要求不比 T1 严格） 并返回其原始类型产生原始指针值，这种指针转换的结果是未指定的。

因此，如果两个对象具有不同的对齐限制，则无法立即保证任何事情都会起作用，并且您无法确保这是真的。但假设你可以。不过，在这种情况下，我相信这实际上会正常工作！这是推理。当您调用 B 对象的成员函数时，规则 &5.2.2/1) 会启动并说明，因为该函数是非虚拟的：

[...] 成员函数调用中调用的函数通常根据对象表达式的静态类型来选择。 [...]

好的，所以我们至少调用了正确的函数。现在，this 指针呢？好吧，根据&5.2.2/4：

[...] 如果函数是非静态成员函数，则函数（9.3.2）的“this”参数应使用指向调用对象的指针进行初始化，如同通过显式类型进行转换转换（5.4）。 [...]

最后一部分完成的类型转换是从B* 到B* 的标识转换，因为这是选定的类型。因此，您已经调用了正确设置了 this 指针的函数。好的！最后，当您将reinterpret_cast 恢复为原始类型时，根据之前的规则，您将取回A* 对象，一切都会按预期进行。

当然，这仅适用于对象具有相同对齐要求的情况，并且不能保证这一点。因此，您不应该这样做！

希望这会有所帮助！