指向成員的指針標准轉換序列

Question

我過去總是在cppinsights中復制和粘貼我的代碼，以查看我的代碼中哪里有對話是由編譯器隱式執行的。 但是此站點上未顯示指針到成員的標准轉換。

當看到這個問題的答案時，我變得更加困惑： Downcasting pointer to member leads to undefined behavior 。 我認為這個問題本身是錯誤的，因為據我所知，根據[conv.mem]/2可以安全地向下轉換指向成員的指針； 但除非應用[expr.static.cast]/12 ，否則不能安全地向上轉換。 這個問題有以下代碼（已編輯）：

struct B { int a; };
struct D1 : B {};
struct D2 : B { int b; };

void f() 
{
    int D1::*ptr = &B::a;  // #1
    int D1::*ptr = &D2::a; // #2
    int B::*ptr = &D1::a;  // #3
    int D1::*ptr = &D2::b; // #4
}

我的困惑只是因為我不知道ptr實際指向什么？ 給封閉的 object 本身的成員？ 或封閉 object 的子對象的成員？

因此，在這里發布任何問題之前，我求助於一位 C++ 程序員（實際上是我的退休老師）幫助我解釋上述隱含的對話（如果有的話）。 簡而言之，這就是我得到的：

#1-這里，初始化器是一個純右值，指定指向成員B::a的指針。 並且因為D1有B未命名的子對象， ptr可以指向該子對象a成員； 實際上， ptr指向D1::B::a ，其中B::a是D1的B子對象的成員。 結果指針ptr指的是子對象B （不是D1 ）的同一個成員，實際上是D1::B::a ； 那是因為即使D1有一個名為a的實際非繼承成員，結果指針仍然引用該子對象的同一成員。

#2-這里，初始化器是一個純右值，指定指向成員D2::a的指針。 並且因為D2 （如D1 ）有B未命名的子對象， ptr可以指向該子對象a成員； 實際上， ptr指向D1::B::a ，其中B::a是D1的B子對象的成員。 結果指針ptr指的是子對象B （不是D1 ）的同一個成員，實際上是D1::B::a那是因為即使D1有一個實際的非繼承成員a ，結果指針仍然指的是同一個成員該子對象的成員。

#3-這里，初始化器是一個純右值，指定指向成員D1::a的指針。 並且因為D1有B未命名的子對象， ptr可以指向該子對象a成員； 實際上， ptr指向D1::B::a ，其中B::a是D1的B子對象的成員。 結果指針ptr指的是子對象B （不是D1 ）的同一個成員，實際上是D1::B::a ； 那是因為即使D1有一個名為a的實際非繼承成員，結果指針仍然引用該子對象的同一成員。

#4-這里，初始化器是一個純右值，指定指向成員D2::b的指針。 並且因為D2沒有D1子對象可以ptr指針指向它的D1::a成員，即使使用static_cast程序也需要這種轉換是錯誤的。

實際上，我覺得這個解釋是合乎邏輯的並且讓我滿意，但我認為它有一些錯誤並且不是100％正確，具體來說，第3段。

我的問題：

• 以上解釋是否完全正確？

如果段落有錯誤，請隨時更正，如果可能，請用更正后的段落作答。 謝謝，很抱歉拖了這么久。

Answer 1

我建議將指向成員的指針視為偏移量，而不是真正的指針。

因此，指向成員的指針告訴您使用什么偏移量來獲取對象中的特定成員——但要取消引用它，您必須將指向成員的指針與適當類型的 object 的基地址組合起來。

這意味着指向成員的指針本身並沒有真正指向任何東西。 它（至少通常）指定一個調整/偏移量，可以應用於實際 object 的地址以到達該 object 的指定成員。

您的前三個問題中的大部分實際上都歸結為如何完成名稱查找。 當您提供成員的名稱時，編譯器會查找該名稱，並找出該名稱所指的 object 的哪一部分。 指向成員的指針持有到達該 object 的實例成員或從該實例派生的任何 object 的成員所需的任何偏移量（在一種情況下會變得棘手（我將在下面介紹，但你沒有問）。

因此，在前三種情況下，在 B、D1 或 D2 中的任何一個中，只有一個名為a的成員。 因此，當查找名稱a時，它將引用作為基 class 的成員的a ，無論您如何指定它，並且指向成員的指針將保持相同的偏移量。

你的第四個案例根本不應該像現在這樣編譯。 使用 static 轉換，您可以編譯它，但使用它的唯一方法是將它轉換回D2::* （然后將其應用於D2類型的 object 或從它派生的東西）。

上面我提到了一個你沒有涉及的有趣案例。 那是你涉及多個 inheritance 的時候。 在這種情況下，當您引用基類 class object 的成員時，編譯器可能需要應用兩個不同的偏移量。

struct B1 { int a; };
struct B2 { int b; };
struct D1 : public B1, public B2 {};

int B1::*ptr1 = &B1::a;
int B2::*ptr2 = &B2::b;

D1 d;
d.*ptr1 = 1;
d.*ptr2 = 2;

在這種情況下， ptr1和ptr2每個都包含a和b在它們各自類中的偏移量（在這兩種情況下通常都是 0）。

但是，當我們將 then 應用於D1的 object（它同時具有B1和B2基類）時，編譯器必須首先應用一個偏移量以獲取基類 class 子對象，然后將第二個指針應用於成員偏移量以獲取該基礎子對象的成員。

Answer 2

您的困惑源於一種誤解，即&B::a 、 &D2::a和&D1::a是不同的。 事實上，它們是相同的； 它們都是類型為int B::*的純右值，都指定為&B::a 。 它們完全相同，因為1與1x和01相同，或者給定inline namespace ns { int j; } inline namespace ns { int j; } , &ns::j等同於&j 。

您可以通過編譯一個簡單的程序來觀察這一點：

template<auto> int g();
int f1() { return g<&B::a>(); } // calls int g<&B::a>() 
int f2() { return g<&D2::a>(); } // calls int g<&B::a>() 
int f3() { return g<&D1::a>(); } // calls int g<&B::a>() 

理解指向（數據）成員的指針的最佳方式是function （在基礎意義上）； TM::*類型的指針（例如）將M類型的泛左值映射到T類型的泛左值。 在簡單的情況下，指定的數據成員位於 class 內的固定偏移量處，PTDM 可以實現為字節偏移量（在offsetof的意義上），但在更復雜的情況下（涉及虛擬繼承），它可能需要查閱 vtable。

現在，為什么類型為int B::*的&B::a可以隱式轉換為int D1::* ？ 答案是指針D1*可隱式轉換為B* （通過派生到基轉換，因為D1具有類型B的明確可訪問基），並且指向數據成員的指針與其 class 類型是逆變的。 換句話說，給定一個從B類型的泛左值到int類型的泛左值的function ，我們總是可以從D1類型的泛左值到int類型的泛左值構造一個 function，方法是在派生到基礎的轉換前加上： (D1 → B) ∘ (B → int) ⇒ D1 → int 。

所以：

1. int D1::*ptr = &B::a; 可以通過隱式轉換（從int B::*到int D1::* 。
2. int D1::*ptr = &D2::a; 出於完全相同的原因是可以的，因為&D2::a只是&B::a的混淆名稱。
3. int B::*ptr = &D1::a; 可以，因為&D1::a只是&B::a的混淆名稱。
4. int D1::*ptr = &D2::b; 失敗，因為&D2::b確實是int D2::*類型，而不是int B::*類型。

您可以通過int B::*強制轉換 #4 進行編譯； 您可以顯式向下轉換指向數據成員的指針，原因與您可以顯式向上轉換指向 class 的指針的原因相同：您告訴編譯器相信您，這個指向派生 class 的數據成員的指針實際上是一個轉換后的指向數據成員的指針基數 class 的。由於允許在B*類型的指針上顯式向上轉換static_cast<D2*> ，因此將向下轉換的指針應用於數據成員的效果是將實例指針從B*向上轉換為D2* ，然后訪問D2::b 。

也就是說，給定類型為D1*的p1 ， p1->*static_cast<int D1::*>(static_cast<int B::*>(&D2::b))等同於static_cast<D2*>(static_cast<B*>(p))->*(&D2::b) ，即static_cast<D2*>(static_cast<B*>(p))->b ，同樣有未定義的行為。

最后，為什么編譯器決定&D1::a應該是int B::*而不是int D1::*類型？ 這是幫您一個忙的語言； 指向基 class 數據成員的指針比指向派生 class 數據成員的指針更強大，因為它可以應用於任何派生 class（具有可訪問的明確基）。 您想要轉換的唯一情況是您可以訪問基數 class 並且您想將指針指向不能訪問的人，即私有或受保護的 inheritance。