C++ 中指针运算的 a+i 和 &a[i] 有什么区别？

Question

假设我们有：

char* a;
int   i;

许多对 C++ 的介绍（如 this one）表明右值 a+i 和 &a[i] 可以互换。几十年来我天真地相信了这一点，直到最近我偶然发现了以下引用自 [dcl.ref] 的文字 (here)：

特别是，空引用不能存在于定义良好的程序中，因为创建此类引用的唯一方法是将其绑定到通过取消引用空指针获得的“对象”，这会导致未定义的行为。

换句话说，将引用对象“绑定”到 null 取消引用会导致未定义的行为。基于context of the above text，可以推断出仅评估 &a[i]（在offsetof 宏内）被认为是“绑定”引用。此外，似乎有一个共识，即&a[i] 在a=null 和i=0 的情况下会导致未定义的行为。这种行为不同于a+i（至少in C++, in the a=null, i=0 case）。

这导致了至少 2 个关于 a+i 和 &a[i] 之间差异的问题：

首先，a+i 和 &a[i] 之间的潜在语义差异是什么导致了这种行为差异。是否可以用任何一种一般原则来解释，而不仅仅是“将引用绑定到空解引用对象会导致未定义的行为仅仅因为这是每个人都知道的非常具体的情况”？是不是&a[i] 可能会生成对a[i] 的内存访问？或者规范作者那天对 null 取消引用不满意？还是别的什么？

其次，除了a=null 和i=0 的情况之外，还有其他情况a+i 和&a[i] 的行为不同吗？ （可能包含在第一个问题中，具体取决于它的答案。）

Answer 1

TL;DR：根据标准（意图），a+i 和 &a[i] 都是格式正确的，并且当 a 是空指针且 i 为 0 时会生成空指针，并且所有编译器都同意。

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a+i 显然符合最新标准草案的[expr.add]/4：

当一个整数类型的表达式 J 被添加到一个指针类型的表达式 P 中或从一个表达式 P 中减去时，结果具有 P 的类型。

• 如果 P 的计算结果为空指针值，而 J 的计算结果为 0，则结​​果为空指针值。
• [...]

&a[i] 很棘手。根据[expr.sub]/1，a[i] 等价于*(a+i)，因此&a[i] 等价于&*(a+i)。现在标准还不太清楚当a+i 是空指针时&*(a+i) 是否格式正确。但作为@n.m。在comment 中指出，cwg 232 中记录的意图是允许这种情况。

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由于核心语言UB需要被一个常量表达式（[expr.const]/(4.6)）捕获，我们可以测试编译器是否认为这两个表达式是UB。

这里是演示，如果编译器认为static_assert 中的常量表达式是UB，或者如果他们认为结果不是true，那么他们必须根据标准生成诊断（错误或警告）：

^{（请注意，这使用了单参数 static_assert 和 constexpr lambda，它们是 C++17 的特性，而默认的 lambda 参数也是相当新的）}

static_assert(nullptr == [](char* a=nullptr, int i=0) {
    return a+i;
}());

static_assert(nullptr == [](char* a=nullptr, int i=0) {
    return &a[i];
}());

从https://godbolt.org/z/hhsV4I 看来，在这种情况下，所有编译器的行为似乎都是一致的，根本不会产生任何诊断（这让我有点惊讶）。

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但是，这与offset 的情况不同。 that question 中发布的实现显式创建了一个引用（这是回避用户定义的operator& 所必需的），因此受引用要求的约束。

Answer 2

在 C++ 标准中，[expr.sub]/1 部分可以阅读：

表达式E1[E2] 与*((E1)+(E2)) 相同（根据定义）。

这意味着&a[i] 与&*(a+i) 完全相同。因此，您将首先取消引用 * 指针，然后获取地址 &。如果指针无效（即nullptr，但也超出范围），则为 UB。

a+i 基于指针算法。起初它看起来不那么危险，因为没有取消引用肯定是 UB。不过也有可能是UB（见[expr.add]/4：

当具有整数类型的表达式被添加或减去时 从一个指针，结果具有指针操作数的类型。如果 表达式 P 指向具有 n 的数组对象 x 的元素 x[i] 元素，表达式 P + J 和 J + P（其中 J 的值为 j） 如果 0 ≤ i + j ≤ 则指向（可能是假设的）元素 x[i + j] n; 否则，行为未定义。同样，表达式 P - J 指向（可能是假设的）元素 x[i - j] 如果 0 ≤ i - j ≤ n;否则，行为未定义。

因此，虽然这两个表达式背后的语义略有不同，但我会说最终的结果是相同的。