数组与 0 个元素对齐答案

【问题标题】：Alignment of array with 0 elements数组与 0 个元素对齐
【发布时间】：2018-05-30 08:31:44
【问题描述】：

C++allows dynamic allocation of zero-sized arrays:

int* p = new int[0];
delete[] p;

我不能用这样的指针做很多事情（因为数组没有元素），但是需要新的表达式来给我一个有效的 (!= nullptr) 指针，然后我必须再次 delete[] 作为如果它是一个实际的数组。

对于这种新表达式返回的内存的对齐方式有什么要求吗？考虑：

struct alignas(8) Foo {
    int x;
};

Foo* p = new Foo[0];
delete[] p;

p 是否保证指向一个 8 位对齐的地址？此外，如果我编写自定义分配器，在这种情况下是否需要返回指向对齐地址的指针？

【问题讨论】：

因为取消引用指针是 UB 有关系吗？
@RichardCritten 我真的不知道。这就是我要问的部分原因。

标签： c++ c++11 language-lawyer allocator

【解决方案1】：

N3337 的basic.stc.dynamic.allocation/2（基本上是C++11）：

分配函数尝试分配请求的数量贮存。成功则返回起始地址一个存储块，其字节长度至少应该一样大作为要求的大小。内容没有限制从分配函数返回时分配的存储空间。命令，连续性和连续调用分配的存储的初始值分配函数是未指定的。 返回的指针应适当对齐，以便它可以转换为任何指针具有基本对齐要求的完整对象类型 (3.11) 然后用于访问分配的存储中的对象或数组（直到通过调用相应的释放函数）。即使空间大小请求为零，请求可能失败。如果请求成功，则返回的值应为非空指针值 (4.10) p0 不同从任何先前返回的值 p1，除非该值 p1 是随后传递给操作员删除。取消引用的影响作为零大小请求返回的指针未定义。

基本对齐 (basic.align/2)：

基本对齐由小于或的对齐表示等于实现支持的最大对齐所有上下文，等于 alignof(std::max_align_t)

扩展对齐（basic.align/3）：

扩展对齐由大于的对齐表示 alignof(std::max_align_t)。

是否有任何扩展对齐是由实现定义的支持以及支持它们的上下文

因此，operator new 返回的指针必须具有基本对齐。即使指定了零大小。它是实现定义的，无论 8 是基本对齐还是扩展对齐。如果它是基本的，那么Foo 是可以的。如果它被扩展，那么它是实现定义Foo支持operator new。

注意，对于 C++17，情况有所改善：

basic.stc.dynamic.allocation/2 of C++17:

分配函数尝试分配请求的数量贮存。成功则返回起始地址一个存储块，其字节长度至少应该一样大作为要求的大小。内容没有限制从分配函数返回时分配的存储空间。命令，连续性和连续调用分配的存储的初始值分配函数是未指定的。 返回的指针应适当对齐，以便可以将其转换为指向任何合适的完整对象类型（[new.delete.single]），然后用于访问分配的存储中的对象或数组（直到存储通过调用相应的解除分配显式解除分配功能）。即使请求的空间大小为零，请求可能会失败。如果请求成功，返回值应为一个非空指针值 ([conv.ptr]) p0 不同于以前的任何返回值 p1，除非该值 p1 随后被传递给运算符删除。此外，对于库分配函数 [new.delete.single] 和 [new.delete.array]，p0 代表与任何其他存储不相交的存储块的地址调用者可访问的对象。通过一个间接的效果作为零大小请求返回的指针未定义。

我已经把重点放在了相关部分。那句话的意思是void *operator new(...)的返回指针应该有合适的对齐方式。它没有提到零大小作为特例（但是，当然，取消引用返回的指针是 UB）。

所以答案是平常的，没有对零的特殊处理：

void *operator new(std::size_t) 必须返回 alignof(std::max_align_t) 的对齐指针
void *operator new(std::size_t, std::align_val_t align) 必须返回一个对齐的指针 align)

请注意，它是实现定义的，将为Foo 调用哪个版本。这取决于 8 是否等于或小于alignof(std::max_align_t)。如果小于，则调用第一个版本（因为它没有扩展对齐）。否则调用第二个。

更新：作为 Massimiliano Janes cmets，这些段落适用于 operator new 的结果，而不适用于新表达式的结果。实现可以向operator new[] 的结果添加任意偏移量。并且标准对这个x 偏移量的值保持沉默：

new T[5] 会导致以下调用之一：

算子 new[](sizeof(T) * 5 + x)

运算符 new[](sizeof(T) * 5 + x, std::align_val_t(alignof(T)))

这里，x 的每个实例都是一个非负的未指定值表示数组分配开销；的结果 new-expression 将从返回的值偏移这个量通过运算符 new[]。此开销可应用于所有阵列新表达式，包括那些引用库函数的表达式 operator new[](std::size_t, void*) 和其他布局分配职能。开销的数量可能与一次调用 new 不同到另一个。

但是，在我看来，这个x 偏移量不能是任意的。如果它不是对齐的倍数，那么新表达式将返回一个非对齐指针（在所有情况下。不仅是零，还有非零大小参数）。这显然不是我们想要的。

所以我认为这是标准中的一个漏洞。 x 的值应限制为对齐的倍数（至少在非零分配情况下）。但是由于这个遗漏，标准似乎不能保证new[] 表达式完全返回对齐的指针（在非零情况下也是如此）。

【讨论】：

遗憾的是，这也不能回答问题；首先，new 表达式的结果可能会与数组情况下的分配结果任意偏移（参见[expr.new#15]），因此它不能证明 new 表达式 的结果与零大小的数组大小写。
其次，尚不清楚用于表示空数组的非对齐指针是否“适当对齐，以便可以将其转换为指针......”或不是......唯一的事情我们知道（来自[basic.compound#3]）是一个非对齐指针是一个无效的指针值，但是没有地方说delete[]需要一个有效的指针值，只是说它需要上一个 new[]... 的结果
@MassimilianoJanes：首先关心的是：为什么零大小的数组在这里很特别？第二：如果允许无效的指针值，那么这句话就没有任何意义。我认为“可以转换”意味着它不会以无效值结束。
@MassimilianoJanes：您似乎对此有一个有效的观点。然而，有些事情对我来说很奇怪。 x 偏移量应该是对齐的倍数，不是吗（在一般情况下）？如果不是，那么新表达式将返回一个对齐错误的指针。但是，当然，实现可以选择 x 可以是 0 大小情况下的任何内容。我会稍微修改一下我的答案，谢谢你的信息！
我认为整个问题归结为一个问题：always 所需的新表达式和分配函数是否会产生 valid 指针值（即使在零数组情况下）？如果是，则 [basic.compound#3] 应用并且非空有效指针必须始终对齐（独立于它们指向的对象，如果有的话）。正如你一样，我在这两种情况下都倾向于积极，但我不知道...... :)