检查指针是否指向向量元素

Question

我想要一个函数来检查指针是否指向向量的元素：

template <typename T>
bool pointsToElement(const std::vector<T>& vec, const T* ptr);

该函数是一个辅助函数，用于从指针安全地创建迭代器：

template <typename T>
std::vector<T>::iterator toIterator(std::vector<T>& vec, T* ptr)
{
    assert(pointsToElement(vec, ptr));
    return vec.begin() + (ptr - &vec[0]);
}

“显而易见”的方式类似于：

template <typename T>
bool pointsToElement(const std::vector<T>& vec, const T* ptr)
{
    if (vec.empty())
        return false;
    return ptr >= &vec.front() && ptr <= &vec.back();
}

不幸的是，这似乎调用了未定义的行为，因为它可能会比较指向不同对象的指针。

一种安全的方法是：

template <typename T>
bool pointsToElement(const std::vector<T>& vec, const T* ptr)
{
    for (auto& elem : vec) {
        if (&elem == ptr)
            return true;
    }
    return false;
}

但这当然是 O(N)，所以非常不可取。

我可以想象另一种方式：

template <typename T>
bool pointsToElement(const std::vector<T>& vec, const T* ptr)
{
    if (vec.empty())
        return false;
    intptr_t pos   = reinterpret_cast<intptr_t>(ptr);
    intptr_t begin = reinterpret_cast<intptr_t>(&vec.front());
    intptr_t end   = reinterpret_cast<intptr_t>(&vec.back());
    return pos >= begin && pos <= end;
}

我认为该标准不能保证 inptr_t 上的任何排序，但这至少不应调用任何未定义的行为并在主要平台上产生正确的结果（我目前只关心 Linux 和 Windows）。

这个分析正确吗？有没有更好的方法来检查指针是否在一定范围内？

（注意：有几个类似的问题，但没有一个考虑使用强制转换为 intptr_t 的可能性）。

Answer 1

这是std::less 和std::greater 派上用场的情况之一。

任何指针类型的 std::less 特化都会产生严格的总顺序，即使内置 operator、=）。

有了这些保证，您就可以使用“显而易见”的解决方案。

---

DavisHerring 在 cmets 中指出，可以存在具有分段内存布局的架构，其中不相关的指针可以在两个向量元素之间排序，并且仍然符合严格的总顺序。

Answer 2

首先：

如果你需要检查一个指针是否有效，你有一个普遍的设计问题！您必须考虑谁拥有数据以及指向该数据的指针在多长时间内有效。

根据您的想法构建一个“检查”指针是否指向向量元素的函数：

    template < typename T>
bool check( const std::vector<T>& vec, const T* ptr )
{   
    const T* start = vec.data();
    const T* end = start + vec.size();

    std::cout << start << " " << end << " " << ptr << std::endl;

    // this did NOT check if pointer points to start of a element boundary!
    if (( ptr >= start ) && ( ptr < end ))
    {   
        return true;
    }

    return false;
}

int main()
{
    std::vector<int> vec{0,1,2,3,4,5};

    std::cout << check( vec, &vec[0]) << std::endl;
    std::cout << check( vec, &vec[5]) << std::endl;
    std::cout << check( vec, &vec[6]) << std::endl;
}

但这有什么帮助呢？

如果您的指针被分配给向量的某个元素，然后该向量重新分配了一些时间，则它可能再次位于该位置但将某些元素移开了。

一般来说：如果您的设计会导致指针悬空，那么以后进行任何运行时检查是没有意义的。稍后在运行时检查时无法修复损坏的设计！您的程序仍有“未定义的行为！”