c++ - 什么时候可以安全地重复使用来自普通可破坏对象的内存而不洗

Question

关于以下代码:

class One { 
public:
  double number{};
};

class Two {
public:
  int integer{};
}

class Mixture {
public:
  double& foo() {
    new (&storage) One{1.0};
    return reinterpret_cast<One*>(&storage)->number;
  }

  int& bar() {
    new (&storage) Two{2};
    return reinterpret_cast<Two*>(&storage)->integer;
  }

  std::aligned_storage_t<8> storage;
};

int main() {
  auto mixture = Mixture{};
  cout << mixture.foo() << endl;
  cout << mixture.bar() << endl;
}

我没有为类型调用析构函数，因为它们很容易被破坏。我对该标准的理解是，为了安全起见，我们需要先清洗存储指针，然后再将其传递给 reinterpret_cast。然而，std::optional 在 libstdc++ 中的实现似乎没有使用 std::launder() 并且只是将对象直接构建到 union 存储中。 https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/master/libstdc%2B%2B-v3/include/std/optional .

我上面的例子是明确定义的行为吗？我需要做什么才能让它发挥作用？ union 会让这项工作成功吗？

Answer 1

在您的代码中，您确实需要 std::launder 以使您的 reinterpret_cast 执行您希望它执行的操作。这是与重用内存不同的问题。根据标准([expr.reinterpret].cast]7)，你的表达

reinterpret_cast<One*>(&storage)

相当于:

static_cast<One*>(static_cast<void*>(&storage))

但是，外部 static_cast 没有成功生成指向新创建的 One 对象的指针，因为根据 [expr.static.cast]/13，

if the original pointer value points to an object a, and there is an object b of type T (ignoring cv-qualification) that is pointer-interconvertible (6.9.2) with a, the result is a pointer to b. Otherwise, the pointer value is unchanged by the conversion.

也就是说，结果指针仍然指向 storage 对象，而不是指向嵌套在其中的 One 对象，并将其用作指向 的指针一个 对象将违反严格的别名规则。您必须使用 std::launder 强制生成的指针指向 One 对象。或者，正如评论中所指出的，您可以直接使用 placement new 返回的指针，而不是从 reinterpret_cast 获得的指针。

如果按照评论中的建议，您使用 union 而不是 aligned_storage，

union {
    One one;
    Two two;
};

您将回避指针互换性问题，因此由于非指针互换性，将不需要 std::launder。但是，仍然存在重新使用内存的问题。在这种特殊情况下，由于您的 One 和 Two 类不包含任何非-const 限定或引用类型的静态数据成员 ([basic.life]/8)。

最后，问题是为什么 libstdc++ 的 std::optional 实现不使用 std::launder，即使 std::optional 可能包含包含 const 限定或引用类型的非静态数据成员的类。正如评论中指出的那样，libstdc++ 是实现的一部分，当实现者知道 GCC 仍然可以在没有它的情况下正确编译代码时，可以简单地省略 std::launder。导致引入 std::launder 的讨论(参见 CWG 1776 和链接的线程，N4303、P0137)似乎表明，在理解的人看来标准比我做的好得多，std::launder 确实是必需的，以便在存在的情况下明确定义 std::optional 的基于 union 的实现const 限定或引用类型的成员。但是，我不确定标准文本是否足够清晰，足以说明这一点，可能值得讨论一下如何澄清这一点。