基于通用char[]的存储和避免严格混叠相关的UB

Question

我正在尝试构建一个类模板，它将一堆类型打包在一个适当大的char数组中，并允许将数据作为单个正确键入的引用访问。现在，根据标准，这可能会导致严格的混淆现象，从而导致未定义的行为，因为我们通过与之不兼容的对象访问char[]数据。具体来说，标准规定：

如果程序尝试通过以下类型之一以外的glvalue访问对象的存储值，则行为未定义：

• 对象的动态类型，
• 对象的动态类型的cv限定版本，
• 与对象的动态类型类似（如4.4中所定义）的类型，
• 与对象的动态类型相对应的有符号或无符号类型，
• 一种类型，它是与对象的动态类型的cv限定版本相对应的有符号或无符号类型，
• 聚合或并集类型，在其元素或非静态数据成员（递归地包括子聚合或包含并集的元素或非动态数据成员）中包括上述类型之一，
• 一种类型，它是对象的动态类型的基类类型（可能是cv限定的），
• char或无符号char类型

鉴于突出显示的项目符号的措辞，我想出了以下alias_cast想法：

#include <iostream>
#include <type_traits>

template <typename T>
T alias_cast(void *p) {
    typedef typename std::remove_reference<T>::type BaseType;
    union UT {
        BaseType t;
    };
    return reinterpret_cast<UT*>(p)->t;
}

template <typename T, typename U>
class Data {
    union {
        long align_;
        char data_[sizeof(T) + sizeof(U)];
    };
public:
    Data(T t = T(), U u = U()) { first() = t; second() = u; }
    T& first() { return alias_cast<T&>(data_); }
    U& second() { return alias_cast<U&>(data_ + sizeof(T)); }
};


int main() {
    Data<int, unsigned short> test;
    test.first() = 0xdead;
    test.second() = 0xbeef;
    std::cout << test.first() << ", " << test.second() << "\n";
    return 0;
}

（上面的测试代码，尤其是 Data 类只是这个想法的一个愚蠢的演示，所以请不要指出我应该如何使用 std：:p air 或 std：：tuple。alias_cast模板也应该扩展以处理符合 cv 的条件类型，并且只有在满足对齐要求的情况下才能安全地使用它，但我希望这个片段足以证明这个想法。

这个技巧使 g 的警告静音（当使用 g -std=c 11 -Wall -Wextra -O2 -fstrict-aliasing -Wstrict-aliasing 编译时），并且代码有效，但这真的是告诉编译器跳过基于严格别名的优化的有效方法吗？

如果它无效，那么如何在不违反别名规则的情况下实现这样一个基于字符数组的通用存储类呢？

编辑:用简单的< code>reinterpret_cast替换< code>alias_cast,如下所示:

T& first() { return reinterpret_cast<T&>(*(data_ + 0)); }
U& second() { return reinterpret_cast<U&>(*(data_ + sizeof(T))); }

用g编译时会产生以下警告:

aliastest-so-1.cpp：在T的实例化中

Answer 1

如果你想坚持严格的一致性，使用工会几乎从来都不是一个好主意，他们在阅读活动成员（而且只有这个）时有严格的规则。尽管不得不说，实现喜欢使用联合作为可靠行为的钩子，也许这就是你所追求的。如果是这样的话，我听从迈克·阿克顿（Mike Acton）的意见，他写了一篇关于别名规则的漂亮（而且很长）的文章，他确实评论了通过工会进行投票。

据我所知，这就是您应该如何处理 char 类型的数组作为存储：

// char or unsigned char are both acceptable
alignas(alignof(T)) unsigned char storage[sizeof(T)];
::new (&storage) T;
T* p = static_cast<T*>(static_cast<void*>(&storage));

将其定义为工作的原因是 T 是此处对象的动态类型。当新表达式创建 T 对象时，存储被重用，该操作隐式结束了存储的生存期（由于无符号 char 是一个普通类型，这种情况很容易发生）。

您仍然可以使用例如存储[0]来读取对象的字节，因为这是通过无符号char类型的glvalue读取对象值，这是列出的显式异常之一。另一方面，如果存储是不同但仍然微不足道的元素类型，您仍然可以使上述片段工作，但无法执行存储[0]。

最后一个使代码片段变得合理的部分是指针转换。请注意，reinterpret_cast不适合一般情况。考虑到T是标准布局，它可能是有效的（对齐也有额外的限制），但如果是这种情况，那么使用reinterpret_cast将等同于像我一样通过voidstatic_casting。首先直接使用这种形式更有意义，尤其是考虑到在通用上下文中经常使用存储。在任何情况下，转换到和从void是标准转换之一（具有明确定义的含义），您需要static_cast。

如果您完全担心指针转换（在我看来这是最薄弱的环节，而不是关于存储重用的争论），那么另一种方法是

T* p = ::new (&storage) T;

如果你想跟踪它的话，就需要在内存中增加一个指针。

我衷心推荐使用std::aligned_storage。