`reinterpret_cast` a `T*` to `T(*)[N]` 是未定义的行为吗？答案

【问题标题】：Is it undefined behavior to `reinterpret_cast` a `T*` to `T(*)[N]`?`reinterpret_cast` a `T*` to `T(*)[N]` 是未定义的行为吗？
【发布时间】：2018-07-04 18:27:08
【问题描述】：

考虑以下场景：

std::array<int, 8> a;
auto p = reinterpret_cast<int(*)[8]>(a.data());
(*p)[0] = 42;

这是未定义的行为吗？我认为是。

a.data()返回一个int*，与int(*)[8]不一样
cppreference 上的 type aliasing rules 似乎表明 reinterpret_cast 无效
作为程序员，我知道a.data()指向的内存位置是8int对象的数组

我是否缺少任何规则使 reinterpret_cast 有效？

【问题讨论】：

std::array 必须是一个连续的容器。因此，问题归结为 int * p 使得 [p; p+N) 已知是一个有效的指针范围是否可以转换为 int[N]。
stackoverflow.com/questions/47924103/…
误导性标题。做指针转换从来都不是UB。潜在的问题是通过取消引用转换结果来访问内存

标签： c++ language-lawyer reinterpret-cast strict-aliasing c++17

【解决方案1】：

一个数组对象和它的第一个元素不是指针可相互转换的^*，所以reinterpret_cast的结果是一个类型为“指向8个数组的指针int”的指针，其值为“指向a[0]的指针”¹。换句话说，尽管有类型，但它实际上并不指向任何数组对象。

然后代码将数组到指针的转换应用于解引用此类指针所产生的左值（作为索引表达式(*p)[0] 的一部分）²。仅当左值实际引用数组对象³ 时，才指定该转换的行为。由于这种情况下的左值没有，因此行为未定义省略⁴。

_{^*如果问题是“为什么数组对象和它的第一个元素不能指针互转换？”，已经有人问了：Pointer interconvertibility vs having the same address。}

_{¹见[expr.reinterpret.cast]/7、[conv.ptr]/2、[expr.static.cast]/13和[basic.compound]/4。}

_{²见[basic.lval]/6、[expr.sub]和[expr.add]。}

_{³[conv.array]: "结果是一个指向数组的第一个元素的指针。"}

_{⁴[defns.undefined]：未定义的行为是“本文档未强加任何要求的行为”，包括“当本文档省略任何明确的行为定义时”。}

【讨论】：

您是说std::array<int, 8> 不包含任何int[8] 子对象，还是说指针不指向该子对象？无论哪种情况，我认为这意味着 a.data() + 3 也是无效的，我们知道这应该是有效的。
@hvd 我是说指针指向该int[8] 子对象的子对象；即，它仍然指向数组的一个元素，而不是数组本身。您无法从指向具有reinterpret_cast 的元素的指针获取指向数组的指针。
@hvd 仅当您满足 no-extra-reachability 要求时，这将取决于相关阵列。
@hvd 问题是您是否可以使用结果指针访问该子对象之外的内容。例如，如果std::array<int, 8> 类似于struct {int e[8]; char dummy;};，那么指向int[8] 的指针与指向整个结构的指针是指针互转换的，因此可以到达dummy，这使得launder 未定义。
@PasserBy int i; *reinterpret_cast<float*>(&i) = 1; 尝试通过引用i 的float 类型的左值修改i。

【解决方案2】：

是的，行为未定义。

int*（a.data() 的返回类型）与 int(*)[8] 的类型不同，因此您违反了严格的别名规则。

当然（这更符合未来读者的利益），

int* p = a.data();

完全有效，随后的表达式 p + n 也是如此，其中整数类型 n 介于 0 和 8 之间。

【讨论】：

我正在投射 .data()，而不是数组本身。
@VittorioRomeo：哎呀。更正了，但答案仍然成立。
在 99.9999% 的情况下，我发现这可能有用。我建议使用gsl::span 来解决问题
我认为这个答案仍然具有误导性或有错字：*“int* 与std::array<int, N>* 完全不同” - 我不是在转换为std::array<int, N>*，而是转换为int(*)[8]而是。
@VittorioRomeo：再做一次修改——我倾向于修改这个。