C++中的容器协变性

Question

我知道C++不像Java或C#一样支持协变容器元素。因此，以下代码可能会导致未定义行为：

#include <vector>
struct A {};
struct B : A {};
std::vector<B*> test;
std::vector<A*>* foo = reinterpret_cast<std::vector<A*>*>(&test);

毫不意外的是，当我建议这个解决方案给另一个问题时，我收到了负评。

但是C++标准中的哪一部分确切地告诉我这会导致未定义行为？保证std::vector<A*>和std::vector<B*>将它们的指针存储在连续的内存块中。保证sizeof(A*) == sizeof(B*)。最后，A* a = new B是完全合法的。

那么除了风格之外，我召唤了标准中的哪些恶灵呢？

- Daniel Gehriger

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使用reinterpret_cast<>()之后，没有任何定义。它可能有效，但您的条件列表非常短。我会添加另外几个前提条件。sizeof(A) == sizeof(B); A或B都不能包含任何类型的虚函数。A、B或数组中放置的任何后代都不能使用多重继承。 - Martin York

非 C++ 特定的答案是它不具备类型安全性。如果您将一个 A 添加到 foo 中，它就会处于无效状态，因为 foo 保证所有元素都是类型 B。C# 也不支持这一点。C# 只支持在接口和委托中用于安全方式使用泛型参数（仅限输入或输出）。Java 支持它，因为它添加了运行时检查，并在对象基类上内部工作。 - CodesInChaos

这个问题看起来与https://dev59.com/VEfRa4cB1Zd3GeqP9oS3相似。 - Nekuromento

@CodeInChaos：你为什么这样想？整个想法都是有缺陷的，会破坏类型系统。一个简单的测试在这里。泛型允许协变和逆变的函数参数，根据你想做的事情，比如像 void append( Vector<? super Derived> v ) { v.add( new Derived() ); } 或 void extract( Vector<? extends Base> v ) { Base b = v.get(0); }，但它不会允许引用的转换。 - David Rodríguez - dribeas

函数中允许使用的原因是泛型只是编译时类型检查，而泛型类型从二进制文件中被 擦除 。当在函数中使用协变/逆变参数时，编译器可以检查函数内部的操作是否破坏了接口的要求。在调用方面，它可以检查同样的要求，然后传递引用，其永远是一个非泛型的 Vector（包含 Object）。另一方面，如果允许转换，则可以将 Base 对象添加到 Derived 的容器中。 - David Rodríguez - dribeas

Answer 1

这里违反的规则在C++03 3.10/15 [basic.lval]中有记录，也被非正式地称为“严格别名规则”。

如果程序试图通过不是以下类型之一的lvalue来访问对象的存储值，则行为未定义：

- 对象的动态类型 - 对象的动态类型的cv限定版本 - 与对象的动态类型对应的有符号或无符号类型 - 与对象的动态类型的cv限定版本对应的有符号或无符号类型 - 包含上述类型之一在其成员中（包括子聚合或包含的联合体的成员，递归地）的聚合或联合类型 - 对象的动态类型的（可能带有cv限定符的）基类类型 - char或unsigned char类型

简而言之，给定一个对象，只允许通过具有列表中一种类型的表达式访问该对象。对于没有基类的类类型对象，如std :: vector ，您基本上受到第一、第二和最后一个项目中命名的类型的限制。

std :: vector 和std :: vector 是完全不相关的类型，您不能使用类型std :: vector 作为std :: vector 。如果违反此规则，编译器可能会执行各种操作，包括：

- 在其中一个上执行不同的优化，或 - 以不同的方式布局一个的内部成员，或 - 执行假设std :: vector *永远不能引用与std :: vector *相同的对象的优化 - 使用运行时检查以确保您未违反严格别名规则

即使只有一个Base *[N]，您也不能将该数组用作Derived *[N]（尽管在这种情况下，使用可能会更安全，其中“更安全”意味着“仍然未定义但不太可能让您陷入麻烦）。

- James McNellis

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@James：感谢你的到来；-)哇，你最后的评论真让我惊讶。在使用C++ 15年后，我并不认为自己是一个新手，但我从未想过这种（无效行为）甚至适用于数组的情况！谢谢。 - Daniel Gehriger

如果大小不同，例如派生类具有更多成员，则Base[N]与Derived[N]会让您陷入麻烦。 - etarion

@etarion: 我们正在讨论指针：例如，f(Base a[]) { ... } 并通过 reinterpret_cast 传递一个 Derived 数组。 - Daniel Gehriger

@etarion：糟糕，我是指Base*[N]与Derived*[N]，以匹配OP对std::vector<Base*>和std::vector<Derived*>的使用。 - James McNellis

f(Base a[]) 有同样的问题。 f(Base *a[]) 是一个不同的情况，请参见James'的编辑。 - etarion

Answer 2

在容器中使用协变存在以下一般问题：

假设您的转换可以正常工作并且是合法的（但实际上不是这样），请看下面的示例：

#include <vector>
struct A {};
struct B : A { public: int Method(int x, int z); };
struct C : A { public: bool Method(char y); };
std::vector<B*> test;
std::vector<A*>* foo = reinterpret_cast<std::vector<A*>*>(&test);
foo->push_back(new C);
test[0]->Method(7, 99); // What should happen here???

所以你也将一个C*重新解释为B*了...

实际上我不知道.NET和Java是如何处理这个问题的（我想当试图插入一个C时，它们会抛出异常）。

- mmmmmmmm

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好观点。虽然我知道foo不能被修改，但我应该将其声明为“const”。 - Daniel Gehriger

Java和C#都有这种机制。这就是List<? extends Base>的作用：当x具有这种类型时，您无法调用x.add(someBaseObject)。 - Norswap

Answer 3

你正在调用reinterpret_cast<>的邪恶精神。

除非你真正知道自己在做什么（我指的不是骄傲和学究式的），reinterpret_cast是邪门的入口之一。

我所知道的唯一安全的用法是在C++和C函数调用之间管理类和结构体。也许还有其他用途。

- Stephane Rolland

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另一个合理的用途是使用“快速数学”近似，利用浮点数的表示。近似要求基本上消除了风险，例如快速inv sqrt，它仅在IEEE 754浮点格式的32位浮点数上工作。简而言之，除非你是专业的“鼻子恶魔”驯兽师，否则要避开这个东西。 - John P

Answer 4

我认为展示比讲解更容易理解：

struct A { int a; };

struct Stranger { int a; };

struct B: Stranger, A {};

int main(int argc, char* argv[])
{
  B someObject;
  B* b = &someObject;

  A* correct = b;
  A* incorrect = reinterpret_cast<A*>(b);

  assert(correct != incorrect); // troubling, isn't it ?

  return 0;
}

这里描述的问题是，在进行“适当”的转换时，编译器会根据对象的内存布局添加一些指针调整。在 reinterpret_cast 中，不执行任何调整。

我想你应该明白为什么代码中通常应禁止使用 reinterpet_cast...

- Matthieu M.

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是的，在多重继承的情况下，这会增加麻烦。但在单一继承的情况下，这并不是问题。 - Daniel Gehriger

@Daniel：除非您使用virtual继承，否则无法解决... 除非您的基类没有虚方法且派生类有（在大多数实现上）; 标准不保证，因此这是等待中的错误。 - Matthieu M.