从 std::aligned_union_t 获取指向包含对象的指针

Getting pointer to contained object from std::aligned_union_t

本文关键字：包含 对象 指针 取指 std aligned union 获取      更新时间：2023-10-16

我想在std::aligned_union_t内使用放置-new构造一个任意类型的对象。成功构造后，我希望能够取回指向构造对象的指针，而无需单独存储它。只要我确保将其转换为构造的原始类型，只需简单地reinterpret_cast'ingstd::aligned_union_t就可以这样做是否合法？

以下举例说明上述内容的代码是否合法？是否有任何MyStruct应该满足的类型特征要求？例如，它必须是 POD 吗？

#include <type_traits>
#include <memory>
#include <cstddef>
#include <exception>
struct MyStruct
{
int value = 0;
};
constexpr size_t c_alignedUnionSize = 10;
std::aligned_union_t<c_alignedUnionSize, std::max_align_t> g_storage;
MyStruct* GetPtr()
{
return reinterpret_cast<MyStruct*>(std::addressof(g_storage));
}
void Construct()
{
if (sizeof(MyStruct) > sizeof(g_storage))
{
std::terminate();
}
auto ptr = new (std::addressof(g_storage)) MyStruct{};
if (!ptr)
{
std::terminate();
}
GetPtr()->value = 123;
}
void Destroy()
{
GetPtr()->~MyStruct();
}
int GetValue()
{
return GetPtr()->value;
}
int main()
{
Construct();
auto value = GetValue();
Destroy();
return value;
}

这里的reinterpret_cast应该是安全的。最新的标准草案说：

[重新诠释]

对象指针可以显式转换为不同类型的对象指针。当对象指针类型的 prvaluev转换为对象指针类型"指向 cvT的指针"时，结果为static_­cast<cv T*>(static_­cast<cv void*>(v))。[ 注意：将类型为"指向T1的指针"的 prvalue 转换为"指向T2的指针"类型(其中T1和T2是对象类型，其中T2的对齐要求不比T1的对齐要求更严格)并返回其原始类型将生成原始指针值。— 尾注 ]

相关问题：

  • aligned_storage和严格的混叠

不幸的是，这是标准所禁止的。在C++标准reinterpret_cast中，从一个指针到对象a到另一个不同类型的对象b被声明为仅在两个对象指针可相互转换时才有效，[basic.compound]/4：

在以下情况下，两个对象 a 和 b 是指针可相互转换的：

  • 它们是同一对象，或者

  • 一个是联合对象，另一个是该对象的非静态数据成员([class.union])，或者

    • 一个是标准布局类对象，另一个是该对象的第一个非静态数据成员，

  • 或者，如果该对象没有非静态数据成员，则为该对象的第一个基类子对象 ([class.mem])，或者

  • 存在一个对象 C，使得 A 和 C 是指针可相互转换的，C 和 B 是指针可相互转换的。

如果两个对象是指针可相互转换的，则它们具有相同的地址，并且可以通过reinterpret_­cast从指向另一个对象的指针获取指向一个对象的指针。[注意：数组对象及其第一个元素不是指针可相互转换的，即使它们具有相同的地址。

指针具有正确的类型和正确的值(内存地址)这一事实并不能使其成为有效的指针。这种令人惊讶的行为的典型例子是这样的：

alignas(int) unsigned char buff[2*sizeof(int)];
auto p1 = new(buff) int{};
auto p2 = new(buff+sizeof(int)) int{};
*(p1+1) = 10;//Undefined behavior
//p1+1 does not point to *p2 even if p1 and p2 have same type and value.

因此，要符合标准，必须存储new返回的指针的值。

我找到了一个很好的解决方案，包括将指针强制转换为整数类型，以及将指针强制转换为其他指针类型，这将导致实现定义的行为([expr.reinterpret_cast]/5)：

reinterpret_cast<MyStruct*>(reinterpret_cast<std::uintptr_t>(addressof(g_storage));
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