C ++中的结构偏移和指针安全

Question

这个问题是关于使用带有结构偏移的指针算术派生的指针。

考虑以下程序：

#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;
}

这个程序似乎可以工作，并在我测试的编译器上给出了预期的结果，使用默认设置和 C++11 标准。

(一个密切相关的程序，我们使用void *而不是char *和static_cast而不是reinterpret_cast， 不被普遍接受。 gcc 5.4 发出关于 void 指针的指针运算的警告，clang 6.0 表示该指针 void * 的算术运算是错误的。）

该程序是否具有符合 C++ 标准的明确定义的行为？

答案是否取决于实现是否具有宽松的或严格的指针安全性 ([basic.stc.dynamic.safety])？

Answer 1

您的代码中没有基本错误。

如果A 不是普通的旧数据，则上面是UB（C++17 之前）和有条件支持（C++17 之后）。

您可能想用auto* 替换char* 和int*，但这是一种风格。

请注意，指向成员的指针以类型安全的方式执行完全相同的操作。大多数编译器都实现了指向成员的指针 ... 作为类型中成员的偏移量。但是，它们确实可以在任何地方工作，即使是在非 pod 结构上也是如此。

除此之外：我看不到标准中offsetof 是constexpr 的保证。 ;)

无论如何，替换：

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

与

static constexpr auto off_c = &A::c;

和

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

与

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

以 C++ 方式进行。

Answer 2

在您的具体示例中是安全的，但这只是因为您的结构是标准布局，您可以使用std::is_standard_layout<> 进行仔细检查。

尝试将其应用于以下结构：

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

将是非法的，即使字符串超出了结构的相关部分。

编辑

这是我关心的问题：在 3.7.4.3 [basic.stc.dynamic.safety] 中，它说只有在（条件）并且如果我们有严格的指针安全性并且指针不是来自时，指针是安全派生的这样的地方。在 5.7 指针算术中，它说我可以在数组中进行通常的算术运算，但我没有看到任何东西告诉我结构偏移算术是可以的。我试图弄清楚这是否与我认为的方式无关，或者结构偏移算术在假设的“严格”实现中是否不合适，或者我是否读错了 5.7 (n4296)

当你在做指针算术时，你是在一个char的数组上执行它，它的大小至少是sizeof(A)，所以没关系。

然后，当您重新转换为第二个成员时，您将被 (2.4) 覆盖：

——安全派生指针值的定义明确的指针转换（4.10、5.4）的结果；

Answer 3

你应该检查你的假设。

假设 #1) offsetof 给出了正确的字节偏移量。这只有在类被认为是“标准布局”时才能保证，它有许多限制，例如没有虚拟方法，避免多重继承等。在这种情况下，应该没问题，但一般你不能确定。

假设 #2) 一个字符的大小与一个字节的大小相同。在 C 中，这是根据定义，所以你是安全的。

假设 #3) offsetof 给出了从指针到类的正确偏移量，而不是从数据的开头。这与 #1 基本相同，但 vtable 肯定是个问题。同样，仅适用于标准布局。