类型双关主题的变化：就地琐碎构造

Question

我知道这是一个很常见的主题，但尽管很容易找到典型的 UB，但我到目前为止还没有找到这个变体。

所以，我试图正式引入 Pixel 对象，同时避免数据的实际副本。

这是有效的吗？

struct Pixel {
    uint8_t red;
    uint8_t green;
    uint8_t blue;
    uint8_t alpha;
};

static_assert(std::is_trivial_v<Pixel>);

Pixel* promote(std::byte* data, std::size_t count)
{
    Pixel * const result = reinterpret_cast<Pixel*>(data);
    while (count-- > 0) {
        new (data) Pixel{
            std::to_integer<uint8_t>(data[0]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[1]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[2]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[3])
        };
        data += sizeof(Pixel);
    }
    return result; // throw in a std::launder? I believe it is not mandatory here.
}

预期使用模式，大大简化：

std::byte * buffer = getSomeImageData();
auto pixels = promote(buffer, 800*600);
// manipulate pixel data

进一步来说：

• 这段代码有明确定义的行为吗？
• 如果是，使用返回的指针是否安全？
• 如果是，它可以扩展到哪些其他Pixel类型？ （放宽 is_trivial 限制？只有 3 个分量的像素？）。

clang 和 gcc 都将整个循环优化为虚无，这就是我想要的。 现在，我想知道这是否违反了某些 C++ 规则。

如果你想玩它， Godbolt 链接。

（注意：尽管std::byte ，我没有标记 c++17 ，因为问题使用char成立）

Answer 1

将promote的结果用作数组是未定义的行为。 如果我们查看[expr.add]/4.2，我们有

否则，如果P指向具有n元素的数组对象x的数组元素i ([dcl.array])，则表达式P + J和J + P （其中J具有值j ）指向（可能是假设的） ）阵列元件i+j的x如果0≤i+j≤n和表达P - J点（可能-假想）阵列元件i−j的x如果0≤i−j≤n 。

我们看到它需要指针实际指向一个数组对象。 不过，您实际上并没有数组对象。 您有一个指向单个Pixel的指针，该Pixel恰好在连续内存中跟随它的其他Pixels 。 这意味着您可以实际访问的唯一元素是第一个元素。 尝试访问其他任何内容都是未定义的行为，因为您已超出指针的有效域的末尾。

Answer 2

您已经有了关于返回指针的有限使用的答案，但我想补充一点，我还认为您需要std::launder才能访问第一个Pixel ：

reinterpret_cast在创建任何Pixel对象之前完成（假设您没有在getSomeImageData这样做）。 因此reinterpret_cast不会改变指针值。 结果指针仍将指向传递给函数的std::byte数组的第一个元素。

当您创建Pixel对象时，它们将嵌套在std::byte数组中，并且std::byte数组将为Pixel对象提供存储。

在某些情况下，存储的重用会导致指向旧对象的指针自动指向新对象。 但这不是这里发生的事情，因此result仍将指向std::byte对象，而不是Pixel对象。 我想使用它就好像它指向一个Pixel对象在技术上将是未定义的行为。

我认为这仍然成立，即使您在创建Pixel对象后执行reinterpret_cast ，因为Pixel对象和为其提供存储的std::byte不是pointer-interconvertible 。 所以即使这样，指针也会继续指向std::byte ，而不是Pixel对象。

如果您获得了从新放置之一的结果返回的指针，那么就访问该特定Pixel对象而言，一切都应该没问题。

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此外，您还需要确保std::byte指针与Pixel适当对齐，并且数组确实足够大。 据我所知，标准并不真正要求Pixel与std::byte具有相同的对齐方式，或者它没有填充。

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此外，这一切都不取决于Pixel是微不足道的还是它的任何其他属性。 只要std::byte数组有足够的大小并且为Pixel对象适当对齐，一切都会以相同的方式运行。