在 C++ 中，我可以将单成员联合数组视为元素数组吗？

Question

假设我正在编写一个运行时大小固定大小的数组 class，有点类似于 Rust 的Box<[T]> ，以便在我知道数组在初始化后不会更改大小时节省跟踪容量的空间。

为了支持没有默认构造函数的类型，我希望能够允许用户提供一个生成器 function，它获取元素的索引并生成一个T 。 为了做到这一点并分离分配和初始化，我遵循 CJ Johnson 的 CppCon 2019 演讲“ How to Hold a T ”中的建议，并最初根据单成员联合创建数组：

template<typename T>
union MaybeUninit
{
    MaybeUninit() {}
    ~MaybeUninit() {}
    T val;
};

// ...

m_array = new MaybeUninit<T>[size];

// initialize all elements by setting val for each item

T* items = reinterpret_cast<T*>(m_array); // is this OK and dereferenceable?

我的问题是，一旦生成器完成并且m_array的所有元素都被初始化，我是否被允许（根据标准，无论给定的编译器实现是否允许）使用reinterpret_cast<T*>(m_array)来处理结果作为实际对象的数组（标记为“这样可以吗”的行）？ 如果没有，有没有办法在不复制的情况下从MaybeUninit<T>*到T* ？

在哪个标准方面，我主要对C++17或更高版本感兴趣。

Answer 1

我是否被允许（根据标准，无论给定的编译器实现是否允许）使用 reinterpret_cast<T*>(m_array) 将结果视为实际对象的数组（标记为“是否可以”的行） ？

不，结果指针上的任何指针算法都会导致 UB（对于索引>1 ）或导致无法取消引用的结束指针（对于索引1 ）。 仅允许以这种方式访问索引0处的元素（但仍需要构造）。

允许执行指针运算的唯一方法是使用指向数组元素的指针。 您的指针未指向作为数组元素的 object （然后出于指针算术的目的，它被认为属于长度为1的数组）。

如果不是，有没有办法在不复制的情况下从 MaybeUninit* 到 T* ？

指针转换不是问题，但您不能对结果指针进行索引。 避免这种情况的唯一方法是拥有一个实际的T对象数组。

但是请注意，您不需要构造T对象数组中的每个元素。 例如：

std::allocator<T> alloc;

T* ptr = std::allocator_traits<decltype(alloc)>::allocate(size);

现在ptr是指向T类型size对象数组的指针，但其中没有真正的T类型对象开始其生命周期。 您可以使用 placement-new （或std::construct_at或std::allocator_traits<decltype(alloc)>::construct ）将单个元素构造到其中，并使用析构函数调用（或std::destroy_at或std::allocator_traits<decltype(alloc)>::destruct ）。 无论如何，您也需要使用union方法来做到这一点。 这种方法还允许您轻松地与不同的分配器交换。

不会有大小或容量管理的开销。 所有这些现在都是用户的责任。 这是否是个好主意是另一个问题。

除了std::allocator或替代的Allocator实现之外，您还可以使用其他分配 memory 并指定隐式创建对象的函数，例如operator new或std::malloc等。