c++ - 分区内存时的严格别名和对齐问题

Question

我的目标是分配单个内存块，然后将其划分为不同类型的较小数组。我对此处编写的代码有几个问题:

#include <iostream>
#include <cstdint>
#include <cstdlib>

int main() {
    constexpr std::size_t array_count   = 5;
    constexpr std::size_t elements_size = sizeof(std::uint32_t) + sizeof(std::uint16_t);

    void* const pv = std::calloc(array_count, elements_size);

    //Partition the memory. p32 array starts at pv, p16 array starts after the 20 byte buffer for the p32 array.
    std::uint32_t* const p32 = (std::uint32_t *) pv;
    std::uint16_t* const p16 = (std::uint16_t *)((char *) pv + sizeof(std::uint32_t) * array_count);

    //Initialize values.
    for(std::size_t i = 0; i < array_count; ++i) {
        p32[i] = i;
        p16[i] = i * 2;
    }

    //Read them back.
    for(std::size_t i = 0; i < array_count; ++i) {
        std::cout << p32[i] << std::endl;
        std::cout << p16[i] << std::endl;
        std::cout << std::endl;
    }

    std::free(pv);
}

1. 此代码是否违反了 c++ 的严格别名规则？从 malloc 或 calloc 调用中转换指针时，我无法找到有关别名的资源。 p32 和 p16 指针不应重叠。
2. 如果我颠倒两个数组的位置，其中 p16 从 pv 开始，而 p32 与 pv 有 10 字节的偏移量，这可能会导致段错误，因为 uint32_t 与 4 字节边界对齐 pv + 10 可能在 2 字节上边界，对吗？
3. 这个程序是否不安全，或者引入了我通常遗漏的任何未定义行为？我在本地机器上得到了预期的输出，但这当然并不意味着我的代码是正确的。

Answer 1

是的，程序是UB。当您这样做时:

for(std::size_t i = 0; i < array_count; ++i) {
    p32[i] = i;
    p16[i] = i * 2;
}

p32 或 p16 没有指向 uint32_t 或 uint16_t 对象。 calloc 只是给你字节，而不是对象。您不能只是将 reinterpret_cast 对象变成存在。最重要的是，索引仅为数组定义，p32 不指向数组。

要使其定义明确，您必须创建一个数组对象。但是，数组的 placement-new 是 broken ，因此您需要手动初始化一堆 uint32_t，例如:

auto p32 = reinterpret_cast<uint32_t*>(pv);
for (int i = 0; i < array_count; ++i) {
    new (p32+i) uint32_t; // NB: this does no initialization, but it does satisfy
                          // [intro.object] in actually creating an object
}

这会遇到一个单独的问题:CWG 2182 .现在我们有 array_count uint32_t，但是我们没有 uint32_t[array_count] 所以索引仍然是 UB。基本上，完全按照标准的 C++ 来编写它是不可能的。另见 my similar question on the topic .

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也就是说，在野外执行此操作的代码量是巨大的，并且每个实现都将允许您执行此操作。