將指向struct的指針強制轉換為指向該結構的唯一成員的指針

Question

考慮以下程序：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

struct foo {
    foo(int value)
    : value_(value)
    {
        // perform range checks
    }

    int value() const {
        return value_;
    }

private:
    int value_;
};

int main() {
    std::vector<foo> values{0, 1, 2, 3, 4, 5};

    std::for_each(std::begin(values), std::end(values), 
                  [](foo& f){ std::cout << f.value(); });

    std::cout << std::endl;

    std::for_each(reinterpret_cast<const int*>(values.data()),
                  reinterpret_cast<const int*>(values.data()) + values.size(),
                  [](int i){ std::cout << i; });
}

用Apple LLVM 6.0版（clang-600.0.54）（基於LLVM 3.5svn）編譯后，它產生以下輸出（這正是我想要的）：

012345
012345

第一次迭代是微不足道的。 然而，第二次迭代不是通過迭代器執行的，而是通過指向已經轉換為const int*的底層存儲的指針執行的 。

我的問題是： 該代碼合法嗎？

我的直覺是它。 根據C ++ 11標准的§5.2.10/ 7（最終工作草案）：

當“指向T1指針”類型的prvalue v轉換為“指向cv T2指針”類型時，如果T1和T2都是標准布局，則結果為static_cast<cvT2*>(static_cast<cvvoid*>(v))類型（3.9）和T2的對齊要求不比T1更嚴格

如果我正確解釋，那么上面的代碼應該是正確的，對嗎？ 如果沒有，它可以成功嗎？

Answer 1

（在我的回答中，我使用C ++ 14標准草案（N4140），這與C ++ 11在相關引用方面略有不同）

由於[class.mem]/19 reinterpret_cast<const int*>(values.data()) [class.mem]/19 ：

如果標准布局類對象具有任何非靜態數據成員，則其地址與其第一個非靜態數據成員的地址相同。 （...）[注意：因此，標准布局結構對象中可能存在未命名的填充，但不是在其開頭，以實現適當的對齊。 - 尾注]

關於解除引用， [expr.reinterpret.cast]/7 ：

可以將對象指針顯式轉換為不同類型的對象指針。 當對象指針類型的prvalue v被轉換為對象指針類型“指向cv T指針”時，結果是static_cast<cv T*>(static_cast<cv void*>(v)) 。

第一個static_cast由[conv.ptr]/2覆蓋：

類型為“指向cv T指針”的prvalue，其中T是對象類型，可以轉換為類型為“指向cv void指針”的prvalue。 將指針的非空指針值轉換為對象類型的結果為“指向cv void指針”表示內存中與原始指針值相同的字節的地址。

第二個static_cast - [expr.static.cast]/13 ：

類型為“指向cv1 void的指針”的prvalue可以轉換為類型為“指向cv2 T的指針”的prvalue（...）如果原始指針值表示內存中字節的地址A並且A滿足對齊要求然后，結果指針值表示與原始指針值相同的地址，即A.

由於[class.mem]/19 ，因此對齊要求得到滿足，所以演員表工作正常。

---

但問題是似乎不能保證sizeof(foo) == sizeof(int)除了上面提到的std::complex要求。 可以將[class.mem]/19關於未命名填充的注釋解釋為僅在需要對齊時允許填充，因此在您的情況下不得有任何填充，但在我看來，這方面的注釋太模糊了。

您可以做的是放入您的代碼

static_assert(sizeof(foo) == sizeof(int), "");
// this may be paranoic but won't hurt
static_assert(alignof(foo) == alignof(int), "");

因此，如果違反要求，至少您的代碼將無法編譯。

Answer 2

它是正確的。 在某些條件下，指向結構的指針可以轉換為指向它的第一個成員的指針。 這是C的遺留保留，因為這是當時實現完全不繼承的方式。

這在C ++11§9.2/ 20 [class.mem]中指定：

指向標准布局結構對象的指針（使用reinterpret_cast適當轉換）指向其初始成員（或者如果該成員是位字段，則指向它所在的單元），反之亦然。 [ 注意 ：因此，在標准布局結構對象中可能存在未命名的填充，但不是在其開頭，以實現適當的對齊。 - 結束說明 ]