reinterpret_cast 指向基类指针向量的指针向量

Question

考虑下面这段代码

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

struct Base {
    int x;

    Base(int x) : x(x) {}
};

struct Derived : public Base {
    int y, z;

    Derived(int x) : Base(x), y(x + 1), z(x + 2) {}
};

void update(const std::vector<std::shared_ptr<const Base>>& elements) {
    for (const auto elem : elements) {
        std::cout << elem->x << "\n";
    }
}

int main(int, char**) {
    std::vector<std::shared_ptr<Derived>> elements(4);

    {
        int ctr = 0;
        std::generate(begin(elements), end(elements), [&ctr]() { return std::make_shared<Derived>(++ctr); });
    }

//    update(elements); // note: candidate function not viable: no known conversion from 'vector<shared_ptr<Derived>>' to 'const vector<shared_ptr<const Base>>' for 1st argument
    update(reinterpret_cast<std::vector<std::shared_ptr<const Base>>&>(elements));  // ok

    return 0;
}

我的问题是使用reinterpret_cast 将std::vector<std::shared_ptr<Derived>> 转换为std::vector<std::shared_ptr<const Base>>& 是否可行并被标准接受。

我用clang-3.8和gcc-6.1用-fsanitize=undefined编译了代码，看起来没问题。但是，我似乎无法找到关于 cppreference 的正确解释。

当然，我可以轻松创建一个适当的函数，但它比单行 reinterpret_cast 更长，并且需要一个临时向量。

void update(const std::vector<std::shared_ptr<Derived>>& elements) {
    std::vector<std::shared_ptr<const Base>> casted(elements.size());
    std::copy(begin(elements), end(elements), begin(casted));
    update(casted);
}

Answer 1

reinterpret_casting 像这样是未定义的行为。当从Derived* 转换为Base* 需要指针调整时，代码将中断。当Derived 使用多重继承并且Base 不是它的第一个基类时，很可能会发生这种情况。

struct Derived : public X, public Base { ... };

Derived* d = new Derived;

Base* b = d; // this is no longer a "no-op", since the Base sub-object
             // of Derived is not at offset 0:
             //
             // d  b
             // |  |
             // v  v
             // [Derived]
             // [X][Base]

如果您的目标是让它以最简洁的方式工作，而不是避免通过临时向量进行转换，那么在这种特殊情况下，您可以使用this answer 中提出的container_cast 实用程序。

update(container_cast(elements));

Answer 2

一般的模板和容器（我将shared_ptr 视为一种特殊形式的容器）在 C++ 中不是协变的。这意味着如果你有两种类型Base 和Derived < Base 和一个template<typename T> class X {};，X<Base> 和X<Derived> 是两个完全不同的东西，并且没有任何形式的关系。

在您的情况下，您有一个 std::vector<std::shared_ptr<Derived>> 类型的对象，然后创建一个 std::vector<std::shared_ptr<const Base>>& 然后用于访问它。我认为这有两个问题：

1. 您将vector 类型的对象转换为引用类型。我真的很想知道为什么会这样。
2. 您通过不相关的不同类型的引用访问对象。我认为这违反了严格的别名规则，因此是未定义的行为。

如果您使用gcc -fstrict-aliasing 编译代码，编译器将假定您的程序符合规则并对其进行优化。它会产生一个警告：

> Start prog.cc: In function 'int main(int, char**)': prog.cc:33:80:
> warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing
> rules [-Wstrict-aliasing]
>      update(reinterpret_cast<std::vector<std::shared_ptr<const Base>>&>(elements));  // ok