c++ - C++ 中指针运算的 a+i 和 &a[i] 有什么区别？

Question

假设我们有:

char* a;
int   i;

许多 C++ 介绍(如 this one)表明右值 a+i 和 &a[i] 是可以互换的。几十年来我一直天真地相信这一点，直到最近我偶然发现了以下引用自 here 的文字 ( [dcl.ref] ) :

in particular, a null reference cannot exist in a well-defined program, because the only way to create such a reference would be to bind it to the "object" obtained by dereferencing a null pointer, which causes undefined behavior.

换句话说，将引用对象“绑定(bind)”到空解除引用会导致未定义的行为。基于context of the above text ，人们推断仅仅评估 &a[i](在offsetof 宏中)被认为是“绑定(bind)”一个引用。此外，似乎一致认为 &a[i] 在 a=null 和 i=0 的情况下会导致未定义的行为。此行为不同于 a+i(至少 in C++, in the a=null, i=0 case )。

这导致至少有 2 个关于 a+i 和 &a[i] 之间的区别的问题:

首先，a+i 和 &a[i] 之间的底层语义差异是什么导致了这种行为差异。是否可以根据任何类型的一般原则来解释它，而不仅仅是“将引用绑定(bind)到空取消引用对象会导致未定义的行为，因为这是每个人都知道的非常特殊的情况”？ &a[i] 是否可能生成对a[i] 的内存访问？或者规范作者那天对空引用不满意？还是别的？

其次，除了a=null和i=0的情况，还有没有其他情况a+i和&a[i] 行为不同？ (可以包含在第一个问题中，具体取决于对它的回答。)

Answer 1

TL;DR:a+i 和 &a[i] 都是良构的，当 a 是 a根据标准(的意图)，空指针和 i 为 0，并且所有编译器都同意。

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a+i 根据 [expr.add]/4 显然是合式的最新标准草案:

When an expression J that has integral type is added to or subtracted from an expression P of pointer type, the result has the type of P.

• If P evaluates to a null pointer value and J evaluates to 0, the result is a null pointer value.
• [...]

&a[i] 很棘手。每[expr.sub]/1 , a[i] 等价于*(a+i), 因此&a[i] 等价于&*( a+i)。现在标准还不太清楚当a+i 为空指针时&*(a+i) 是否格式正确。但是作为@n.m。在 comment 中指出，记录在 cwg 232 中的意图就是允许这种情况。

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由于核心语言UB需要被常量表达式([expr.const]/(4.6))捕获，我们可以测试编译器是否认为这两个表达式是UB。

这是演示，如果编译器认为 static_assert 中的常量表达式是 UB，或者如果他们认为结果不是 true，那么他们必须产生一个诊断 (错误或警告)按照标准:

^{(请注意，这使用单参数 static_assert 和 constexpr lambda，它们是 C++17 的特性，以及默认的 lambda 参数，这也是很新的)}

static_assert(nullptr == [](char* a=nullptr, int i=0) {
    return a+i;
}());

static_assert(nullptr == [](char* a=nullptr, int i=0) {
    return &a[i];
}());

来自 https://godbolt.org/z/hhsV4I ，似乎所有编译器在这种情况下都表现一致，根本不产生任何诊断(这让我有点惊讶)。

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但是，这与 offset 的情况不同。 that question 中发布的实现显式创建引用(这是回避用户定义的 operator& 所必需的)，因此受引用要求的约束。