通过将对象指针转换为“char*”，然后执行“*（member_type*）（指针偏移）”来访问成员是UB吗？

Question

下面是一个示例：

#include <cstddef>
#include <iostream>

struct A
{
    char padding[7];
    int x;
};
constexpr int offset = offsetof(A, x);

int main()
{
    A a;
    a.x = 42;
    char *ptr = (char *)&a;
    std::cout << *(int *)(ptr + offset) << '\n'; // Well-defined or not?
}

我一直认为它定义得很好（否则offsetof的意义是什么），但我不确定。

最近我被告知它实际上是UB，所以我想一劳永逸地弄清楚它。

上面的例子到底有没有引起UB？如果你把类修改成非标准布局，会影响结果吗？

如果是UB，是否有任何解决方法(例如，应用< code>std::launder)？

这整个主题似乎没有实际意义，而且没有得到充分的阐述。

以下是我能够找到的一些信息：

>

添加到“char*”指针UB时，它实际上没有指向char数组吗2011年，CWG确认允许我们通过无符号字符指针检查标准布局对象的表示。

>

不清楚是否可以使用char指针，常识说可以。

不清楚从C 17std::launder是否需要应用于（无符号char*）强制转换的结果。考虑到这将是一个突破性的变化，它可能是不必要的，至少在实践中是这样。

不清楚为什么C17将offsetof更改为有条件地支持非标准布局类型（以前是UB）。这似乎意味着如果一个实现支持它，那么它还允许您通过unsignedchar*检查非标准布局对象的表示。

当在标准布局对象中进行指针运算时，我们需要使用std::launder吗？——类似这个的问题。没有给出明确的答案。

Answer 1

在我看来，这个问题和另一个关于launder的问题都可以归结为对C17[expr.static.cast]/13最后一句话的解释，它涵盖了static_cast的情况

“pointer-to-cv1void”类型的prvalue可以转换为“pointer-to-cv2T”类型的prvalue，

[…]

否则，指针值不会因转换而改变。

有些海报似乎认为这意味着强制转换的结果不能指向T类型的对象，因此，带指针或引用的reinterpret_cast只能用于指针可转换类型。

但我不认为这是合理的，而且（这是一个还原荒谬的论点）这一立场还意味着：

• CWG1314决议被推翻
• 无法检查标准布局对象的任何字节（因为转换为无符号字符*或任何可能无法用于访问该字节的字符类型）
• 严格的别名规则是多余的，因为实际实现此类别名的唯一方法是使用此类强制转换
• 没有规范性文本来证明注释“[注：将“指针到T1”类型的prvalue转换为“指针到T2”类型（其中T1和T2是对象类型，T2的对齐要求并不比T1更严格），并返回其原始类型会产生原始指针值。-结束注]”
• offsetof是无用的（因此对它的C17更改是多余的）

对我来说，这句话似乎是一个更合理的解释，即强制转换的结果指向内存中与操作数相同的字节。（与指向其他字节相反，这句话未涵盖的一些指针强制转换可能会发生）。说“值不变”并不意味着“类型不变”，例如，我们将从int到long的转换描述为保留值。

此外，我想这可能会引起一些争议，但我认为如果指针的值是对象的地址，那么指针指向该对象，除非标准特别排除这种情况。

这与[basic.compound]/3的文本一致，后者说相反的情况，即如果指针指向一个对象，那么它的值就是该对象的地址。

似乎没有任何其他显式语句来定义指针何时可以或不能指向对象，但 basic.compound/3 表示所有指针都必须是以下四种情况之一（指向对象、点超过末尾、null、无效）。

排除的案例包括：

• std::launder的用例专门解决了这样一种情况，即有这样一种语言排除了使用未清洗的指针。
• 过去的结束指针不指向对象。（basic.compound/3）

Answer 2

这里我将提到C 20(草案)的措辞，因为一个相关的编辑问题在C 17和C 20之间得到了解决，也有可能提到C 20草案HTML版本中的具体句子，但除此之外，与C 17相比没有什么新的内容。

首先，指针值的定义[basic.compound]/3：

指针类型的每个值都是下列值之一：
— 指向对象或函数的指针（该指针称为指向对象或函数），或者
— 经过对象末尾的指针 （[expr.add]），或
— 该类型的空指针值，或
— 无效的指针值。

现在，让我们看看（char*）中发生了什么

我不想证明a是一个左值，它表示类型a»来引用这个对象。

的含义

如果操作数是类型T的左值，则结果表达式是类型为“指针到T”的prvalue，其结果是指向指定对象的指针

所以，

现在，转换（char*）

转换为< code>void*不会改变指针值([conv.ptr]/2):

类型为“pointer-to-cvT”的prvalue，其中T是对象类型，可以转换为类型为“指针到cvvoid”的prvalue。指针值（[basic.compound]）在此转换中保持不变。

即它仍然是“指向（对象）a”的指针。

[expr.static.cast]/13覆盖外static_cast

“pointer-to-cv1void”类型的prvalue可以转换为“pointer-to-cv2T>”类型prvalue，其中 是对象类型，cv2与cv1具有相同的cv限定条件，或大于cv1。如果原始指针值代表内存中字节的地址A，而A不满足 的对齐要求，则生成的指针值未指定。否则，如果原始指针值指向一个对象a，并且存在一个 T类型的对象b（忽略cv限定），该对象b可以与a进行指针互换，则结果是指向b的指针。否则，指针值将通过转换保持不变。

没有类型为char的对象可以与对象a（[basic.compound]/4）进行指针互转换：

两个对象 a 和 b 是指针可互转换的，如果：
— 它们是同一个对象，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， 该对象的任何基类子对象 （[class.mem]），或者
— 存在一个对象 c，使得 a 和 c 是指针可互换的，而 c 和 b 是指针可互换的。

这意味着< code>static_cast

所以，（char*）

对于加法或减法，如果表达式P或Q的类型为“指针指向cvT”，其中T和数组元素类型不相似，则行为未定义。

出于指针算术的目的，对象a被认为是数组A[1]（[basic.compound]/3）的元素，因此数组元素类型为A，指针表达式P的类型为“指针指向char”，char和A不是相似的类型（参见[conv.qual]/2），因此行为是未定义的。