c++ - 是否可以以不会导致 UB 的方式分配未初始化的数组？

Question

在 C++ 中实现某些数据结构时，需要能够创建一个包含未初始化元素的数组。正因为如此，拥有

buffer = new T[capacity];

不适合，如 new T[capacity]初始化数组元素，这并不总是可能的(如果 T 没有默认构造函数)或需要(因为构造对象可能需要时间)。典型的解决方案是分配内存并使用placement new。
为此，如果我们知道元素的数量是已知的(或者至少我们有一个上限)并在堆栈上分配，那么，据我所知，可以使用对齐的字节或字符数组，然后使用std::launder访问成员。

alignas(T) std::byte buffer[capacity];

但是，它只解决了栈分配的问题，并没有解决堆分配的问题。为此，我假设需要使用对齐新，并写这样的东西:

auto memory =  ::operator new(sizeof(T) * capacity, std::align_val_t{alignof(T)});

然后将其转换为 std::byte*或 unsigned char*或 T* .

// not sure what the right type for reinterpret cast should be
buffer = reinterpret_cast(memory);

但是，有几件事我不清楚。

结果reinterpret_cast<T*>(ptr)如果 ptr 指向可与 T 指针互转换的对象，则定义该对象。(参见 this answer 或 https://eel.is/c++draft/basic.types#basic.compound-3 )了解更多详细信息。我假设，将其转换为 T*无效，因为 T 不一定可以与 new 的结果进行指针转换。但是，对于 char* 是否有很好的定义？或 std::byte ?

转换 new 的结果时到一个有效的指针类型(假设它不是实现定义的)，它是否被视为指向数组第一个元素的指针，或者只是指向单个对象的指针？虽然据我所知，在实践中很少(如果有的话)很重要，但存在语义差异，即 pointer_type + integer 类型的表达式。只有当所指向的元素是数组成员，并且算术结果指向另一个数组元素时，才定义良好。 (见 https://eel.is/c++draft/expr.add#4)。

就生命周期而言，数组类型的对象unsigned char或 std::byte可以为放置 new ( https://eel.is/c++draft/basic.memobj#intro.object-3 ) 的结果提供存储，但是它是否为其他类型的数组定义？

据我所知T::operator new和 T::operator new[]表达式调用 ::operator new或 ::operator new[]在幕后。由于内置的​​结果 new是无效的，如何转换为正确的类型？这些是基于实现的还是我们有明确定义的规则来处理这些？

释放内存时，应该使用

::operator delete(static_cast<void*>(buffer), sizeof(T) * capacity, std::align_val_t{alignof(T)});

还是有另一种方法？
PS:我可能会在实际代码中将标准库用于这些目的，但是我试图了解幕后的工作原理。
谢谢。

Answer 1

pointer-interconvertibility

关于指针相互转换，是否使用 T * 无关紧要或 {[unsigned] char|std::byte} * .您必须将其转换为 T *无论如何都要使用它。
请注意您必须调用 std::launder (根据转换的结果)访问尖头 T对象。唯一的异常(exception)是创建对象的placement-new 调用，因为它们还不存在。手动析构函数调用也不异常(exception)。
如果您不使用 std::launder，则缺少指针可相互转换只会是一个问题。 .

When converting the result of new to a valid pointer type (assuming it is not implementation defined), is it treated as a pointer to first element of array, or just a pointer to a single object?

如果您想更加安全，请将指针存储为 {[unsigned] char|std::byte} *和 reinterpret_cast它在执行任何指针运算之后。

an object of type array unsigned char or std::byte can provide storage for result of placement new

该标准没有说任何地方都需要“提供存储”才能使新放置工作正常工作。我认为该术语的定义仅用于标准中其他术语的定义。
考虑 [basic.life]/example-2 哪里operator=即使输入 T，也使用placement-new 就地重建对象。不为相同类型“提供存储”T .

Since the result of builtin new is void, how conversion to the right type is done?

不知道标准对此有什么看法，但除了 reinterpret_cast 之外还能有什么？ ?

freeing the memory

你的方法看起来是正确的，但我 think你不必传递大小。