转换包含多态类型的模板时的未定义行为答案

【问题标题】：undefined behavior when casting template holding a polymorphic type转换包含多态类型的模板时的未定义行为
【发布时间】：2015-12-19 13:00:02
【问题描述】：

出于类型擦除的原因，我有一个模板A<T>，它可以保存任何数据类型。当A 持有派生自Base 的多态类型Derived 并将其转换为A<Base> 时，GCC 的未定义行为清理程序会报告运行时错误：

#include <iostream>

struct I
{
    virtual ~I() = default;
};

template<typename T> 
struct A : public I
{
    explicit A(T&& value) : value(std::move(value)) {}
    T& get() { return value; }
private:
    T value;
};

struct Base
{
    virtual ~Base() = default;
    virtual void fun() 
    {
        std::cout << "Derived" << std::endl;
    }
};

struct Derived : Base
{
    void fun() override
    {
        std::cout << "Derived" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    I* a_holding_derived = new A<Derived>(Derived());
    A<Base>* a_base = static_cast<A<Base>*>(a_holding_derived);
    Base& b = a_base->get();
    b.fun();
    return 0;
}

编译并运行

$ g++ -fsanitize=undefined -g -std=c++11 -O0 -fno-omit-frame-pointer && ./a.out

输出：

main.cpp:37:62: runtime error: downcast of address 0x000001902c20 which does not point to an object of type 'A'

0x000001902c20: note: object is of type 'A<Derived>'

 00 00 00 00  20 1e 40 00 00 00 00 00  40 1e 40 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  21 00 00 00

              ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

              vptr for 'A<Derived>'

    #0 0x400e96 in main /tmp/1450529422.93451/main.cpp:37

    #1 0x7f35cb1a176c in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2176c)

    #2 0x400be8  (/tmp/1450529422.93451/a.out+0x400be8)


main.cpp:38:27: runtime error: member call on address 0x000001902c20 which does not point to an object of type 'A'

0x000001902c20: note: object is of type 'A<Derived>'

 00 00 00 00  20 1e 40 00 00 00 00 00  40 1e 40 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  21 00 00 00

              ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

              vptr for 'A<Derived>'

    #0 0x400f5b in main /tmp/1450529422.93451/main.cpp:38

    #1 0x7f35cb1a176c in __libc_start_main (/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6+0x2176c)

    #2 0x400be8  (/tmp/1450529422.93451/a.out+0x400be8)


Derived

live example on coliru

我有两个问题：

消毒剂的输出是否正确？
如果是，从A<Derived> 到A<Base> 的有效转换是什么样的？

【问题讨论】：

从I* 到X 的静态转换具有未定义的行为，因为它实际上指向Y 的子对象，而X 和Y 是不同的类型（分别为@987654338 @ 和 A<Derived>)。
@KerrekSB 我确实有另一种环绕A 的类型；我没有在这里展示它以保持示例最小化。
OK - 在这种情况下，您必须使用 I 专门作为您的“类型擦除句柄”。公共 API 的每个语义方面都必须通过 I 实现。
@KerrekSB 我可以使用两个嵌套的static_casts，但是我需要知道原始类型（以某种方式破坏了类型擦除的目的）：example code;有什么办法吗？
我不确定问题是否明确。类型擦除不会给你神奇的力量。它解决了需要在接口中编码的非常特定的问题。例如，any 是类型擦除类的最简单示例，其唯一接口是“类型检查”。 std::function 是一个不同的类型擦除类，其接口是“函数调用运算符”。您需要记住一个要以类型擦除的方式提供的接口。由于您的I 是空的，因此您目前没有完成任何事情。

标签： c++ gcc polymorphism undefined-behavior type-erasure

【解决方案1】：

问题在于A<Base> 和A<Derived> 彼此之间没有任何关系。它们的表示方式可能完全不同。对于您尝试执行的演员表，A<Base> 必须是 A<Derived> 的基类，但显然不是这样。

看来，您想创建一个类似于值类型的智能指针。副手，我不确定是否可以创建一个支持所有必要转换的值类型。如果在需要支持转换的类型组中有特定需求或已知的公共基类，则可以实现相应的类。

【讨论】：

【解决方案2】：

我不确定您的设计目标，但为了让讨论更直观，这里有一个类型擦除的典型示例：一个单独的类 Foo，它公开了一个已擦除的 bar 调用：

#include <memory>
#include <type_traits>
#include <utility>

class Foo
{
    struct ImplBase
    {
        virtual ~ImplBase() = default;
        virtual int bar(int, int) = 0;  // This line is the whole point!
    };

    std::unique_ptr<ImplBase> impl;

    template <typename T> struct Impl : ImplBase
    {
        Impl(T t) t_(std::move(t)) {}

        int bar(int a, int b) override { return t_.bar(a, b); }

        T t_;
    };

public:
    template <typename T>
    Foo(T && x)
    : impl(new Impl<typename std::decay<T>::type>(std::forward<T>(x)))
    {}

    int bar(int a, int b)  // Not virtual! Foo is a "value-like" class.
    {
        return impl->bar(a, b);
    }
};

这种方法的实用性在于，您现在可以拥有一个使用Foo 的接口类型，并且您可以使用结构上满足要求的any 类型调用此接口Impl（你当然会在不参考实现细节的情况下记录它）。

例如，考虑以下函数：

void DoSomething(Foo a, int x, int y)
{
    UpdateCounter(a.bar(x, y));
}

这个函数可以在一个翻译单元中定义和编译，永远不会再被触及。但是未来的用户（可能从未与DoSomething 作者有过因果联系）可以传递暴露bar 函数的任意对象：

struct X { double bar(long int, int); };
struct Y { char bar(int, float, bool = false); };

DoSomething(Foo(X{}), 10, 20);
DoSomething(Foo(Y{}), 20, 10);

注意事项：

类型擦除提供 ad-hoc 多态性。
对客户端类型的要求是结构性的，与继承无关。想想“鸭子打字”或“概念”。
类型擦除设计公开功能，而不是层次相关性。
如果您要求 Impl 可复制（转换为对 T 的要求），您可以使 Foo 可复制。
我们使用原始new；没有分配器支持。事实证明，类型擦除分配器支持非常具有挑战性，尤其是在类型擦除状态应该是可复制的情况下。

【讨论】：