嵌套的std::arrays中的数据是否保证是连续的？

Question

std::array<std::array<T,N>, M>中的数据是否保证连续？例如：

#include <array>
#include <cassert>

int main()
{
    enum {M=4, N=7};
    typedef std::array<char,N> Row;
    typedef std::array<Row, M> Matrix;
    Matrix a;
    a[1][0] = 42;
    const char* data = a[0].data();

    /* 8th element of 1D data array should be the same as
       1st element of second row. */
    assert(data[7] == 42);
}

这个断言是否保证一定成功？换句话说，我能否依赖于 Row 的末尾没有填充数据？

编辑: 为了明确起见，在这个例子中，我希望整个矩阵的数据是连续的。

- Emile Cormier

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即使存储是连续的，我相信你仍然会违反别名规则。请参阅我很久以前提出的这个问题（关于C语言，诚然）：https://dev59.com/gW015IYBdhLWcg3w9wl1。 - Oliver Charlesworth

可能是std::array中的内存连续吗？的重复问题，由recursion提出。 - Lightness Races in Orbit

不，我不认为这是重复的。虽然单个std::array中的数据是连续的，但这并不意味着嵌套的std::array中的整个数据集是连续的。至少对于像我这样的非语言专家来说，这并不明显。 - Emile Cormier

@Emile：是的，确实如此。如果std::array中的每个元素都是连续的，那么意味着在std::array<std::array<..>>中的每个std::array直接相邻。通过递归，这些“子”std::array也是连续的。一个容器并不会因为它是自己的value_type而突然失去连续性（如果确实是容器的保证）。_[编辑：但是，这并不意味着最内层的T都彼此连续。看来这正是你想表达的，所以没问题 :P]_ - Lightness Races in Orbit

@LightnessRacesinOrbit：就像James在他的答案中所说，array<T>的末尾并没有要求不含填充或额外数据成员，尽管我承认像样的实现不会这么做。 - Emile Cormier

Answer 1

不，这种情况下并不能保证连续性。

std::array被保证为聚合体，并且被规定为用于存储的基础数组必须是类型的第一个数据成员。

然而，并没有要求sizeof(array) == sizeof(T) * N，也没有要求对象末尾没有未命名的填充字节或者std::array除了基础数组存储之外没有其他数据成员。（尽管，包含其他数据成员的实现最多只能算是不寻常。）

- James McNellis

Answer 2

它们很有可能是连续的。如果它们不是连续的，编译器就会与您作对。没有保证它不会插入填充，但几乎没有理由这样做。

assert断言能够成功吗？

data[7]是越界访问（未定义行为）。内部数组对象仅有七个元素，因此索引7无效。

- R. Martinho Fernandes

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@Emile，这种“一维数据数组的第8个元素应该与第二行的第一个元素相同”的想法中存在的缺陷是忽略了代码中没有任何数组有第8个元素。因此，无法保证data[7]会做什么。实际上，我认为它可能指向第二行的第一个元素，但是由于UB的原因，您不能安全地依赖它。 - R. Martinho Fernandes

好的，那么我认为“they are very likely contiguous”的意思是每个内部数组中的数据是连续的。这是你的意思吗？ - Emile Cormier

我并不是说这是错误的，但对我来说似乎有些违反直觉。如果int x[4][7]是连续的，那么（对我来说）数据在内存中占据了28个连续的sizeof(int)字节的插槽。如果我执行xp[7]（相当于*(xp+7)），那么它应该只是解引用这28个连续插槽中的第8个插槽。索引和指针算术后跟随解引用是否不同？ - Emile Cormier

@Emile 是的，它将与一个具有28个元素（如int x[28]）的大数组对象具有相同的内存布局。但是并不存在“一个具有28个元素的大数组”。有一个具有4个元素和四个具有7个元素的数组。它可能会工作，但标准不提供任何保证。 - R. Martinho Fernandes

@Emile：只是为了明确，回到你最初的问题上来：我不介意依赖于没有填充（我不想支持那些做疯狂事情的编译器！），因为它实际上可以测试：static_assert(sizeof(Matrix) == sizeof(char)*M*N, "nested std::arrays should have no padding");。我更加警惕依赖于将索引作为一个大数组，因为这不能被测试（现在可能工作并且通常会，但当优化器决定利用它进行优化时，它可能以后失败）。 - R. Martinho Fernandes