是否未定义行为来读取和比较POD类型的填充字节？

Question

今天我遇到了一些大致类似于以下代码段的代码。 valgrind和UndefinedBehaviorSanitizer检测到未初始化数据的读取。

template <typename T>
void foo(const T& x)
{
    static_assert(std::is_pod_v<T> && sizeof(T) > 1);
    auto p = reinterpret_cast<const char*>(&x);

    std::size_t i = 1; 
    for(; i < sizeof(T); ++i)
    {
        if(p[i] != p[0]) { break; }
    }

    // ...
}

当包含填充字节的对象传递给foo时，上述工具抱怨p[i] != p[0]比较。 例：

struct obj { char c; int* i; };
foo(obj{'b', nullptr});

从POD类型中读取填充字节并将它们与其他内容进行比较是不确定的行为？ 我无法在标准和StackOverflow中找到明确的答案。

Answer 1

您的程序的行为是在两个方面定义的实现 ：

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1）在C ++之前14：由于char的可能性为1的补码或有符号大小的有signed类型，由于比较+0和-0， 可能会返回一个令人惊讶的结果。

真正无懈可击的方法是使用const unsigned char*指针。 这消除了对现在废除（来自C ++ 14）1的补码或签名量级char任何顾虑。

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由于（i）您拥有内存，（ii）您正在使用指向x的指针，以及（iii） unsigned char不能包含陷阱表示，（iv） char ， unsigned char和signed char免于严格别名规则 ，使用const unsigned char*来读取未初始化的内存的行为是完全明确的。

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2）但是由于您不知道未初始化的内存中包含的内容，因此读取它的行为未指定，这意味着程序行为是实现定义的，因为char类型不能包含陷阱表示。

Answer 2

这取决于条件。

如果x为零初始化，则填充为零位，因此这种情况定义明确 （C ++ 14的8.5 / 6）：

零初始化T类型的对象或引用意味着：

- 如果T是标量类型（3.9），则将对象初始化为通过转换整数文字获得的值

0（零）到T; 105

- 如果T是一个（可能是cv-quali fi ed）非联合类类型，每个非静态数据成员和每个基类

子对象零初始化， 填充初始化为零位 ;

- 如果T是（可能是cv-quali fi ed）联合类型，则该对象的第一个非静态命名数据成员为零 -

初始化和填充初始化为零位 ;

- 如果T是数组类型，则每个元素都是零初始化的; - 如果T是引用类型，则不执行初始化。

但是，如果x是默认初始化的，则未指定填充，因此它具有不确定的值（由此处未提及填充的事实推断）（8.5 / 7）：

默认初始化T类型的对象意味着：

- 如果T是（可能是cv-quali fi ed）类类型（第9节），则调用T的默认构造函数（12.1）（如果T没有默认构造函数或重载解析（13.3），则初始化结果不正确歧义或在初始化上下文中删除或无法访问的函数中;

- 如果T是数组类型，则每个元素都是默认初始化的;

- 否则，不执行初始化。

对于这种情况 ，比较不确定的值是UB ，因为没有提到的例外情况，因为您将不确定值与某些事物进行比较（8.5 / 12）：

如果没有为对象指定初始化程序，则默认初始化该对象。 当获得具有自动或动态存储持续时间的对象的存储时，该对象具有不确定的值，并且如果没有对该对象执行初始化，则该对象保留不确定的值，直到该值被替换（5.17）。 [注意：具有静态或线程存储持续时间的对象是零初始化的，请参见3.6.2。 - 结束注释] 如果评估产生不确定的值，则除以下情况外，行为未定义：

- 如果通过以下评估产生无符号窄字符类型（3.9.1）的不确定值：

......-条件表达式的第二个或第三个操作数（5.16），

......-逗号表达式的右操作数（5.18），

......-强制转换或转换为无符号窄字符类型的操作数（4.7,5.2.3,5.2.9,5.4），

要么

......-丢弃值表达式（第5条），然后操作的结果是不确定的值。

- 如果通过评估一个简单赋值运算符（5.17）的右操作数产生无符号窄字符类型的不确定值，该操作数的第一个操作数是无符号窄字符类型的左值，则不确定值将替换所引用的对象的值。由左操作数。

- 如果在初始化无符号窄字符类型的对象时通过初始化表达式的求值产生无符号窄字符类型的不确定值，则该对象被初始化为不确定的值。

Answer 3

Bathsheba的回答正确地描述了C ++标准的字母。

坏消息是我测试的所有现代编译器（GCC，Clang，MSVC和ICC）都忽略了这一点上的标准字母。 相反，他们将附件J.2中的秃头声明视为C标准

[行为未定义]如果使用具有自动存储持续时间的对象的值，则该行为是不确定的

好像它在C和C ++中都是100％规范的，即使附件J不是规范性的。 这适用于对未初始化存储的所有可能的读访问，包括通过unsigned char *仔细执行的访问，以及是，包括对填充字节的读访问。

此外，如果您要提交错误报告，我相信您会被告知，如果标准的规范性文本与他们正在做的事情不一致，则标准是有缺陷的。

好消息是，如果检查填充字节的内容，则只有在访问填充字节时才会产生UB。 复制它们就可以了。 特别是，如果你初始化POD结构的所有命名字段，这将是安全的周围由结构分配并复制它memcpy ，但它不会是安全的比较它使用另一个这样的结构memcmp 。