无条件地创建指向向量最后一个元素的指针是否合法？

Question

我有以下的C++代码：

void bar(int&);
void baz();

void foo(std::vector<int>& v) {
    int* pointer_to_last = v.data() + (v.size() - 1);
    if (v.size() > 0 && *pointer_to_last == 42) {
        bar(*pointer_to_last);
    } else {
        baz();
    }
}

我正在无条件地创建一个指向向量最后一个元素的指针，但只有在向量不为空的情况下才对指针进行解引用。根据标准，这样做是否合法？或者上述代码是否存在未定义行为？

如果上述程序是合法的，那么下面的程序是否也合法？

void bar(int&);
void baz();

void foo(std::vector<int>& v) {
    int& reference_to_last = v.back();
    if (v.size() > 0 && reference_to_last == 42) {
        bar(reference_to_last);
    } else {
        baz();
    }
}

std::vector::back的参考文档中提到：

在空容器上调用back会导致未定义的行为。

所以我假设这个程序是不合法的。是否有GCC或Clang的编译器标志或任何静态分析工具可以对上述代码给出警告？

- eyelash

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空向量v的v.size()-1不会溢出吗？无论如何，在空向量上，我认为我们对v.data()没有太多的保证，我会支持@HolyBlackCat的观点。 - undefined

@eyelash back()只是对数组进行索引。与通过指针访问相比，它不会多花费一纳秒的时间。 - undefined

我建议你试一试，使用优化构建，并查看生成的汇编代码...我敢打赌你不会看到任何差异！而且，即使有任何差异，也会非常小，几乎不可能测量出来。也许如果你在很短的时间内（几秒钟）内紧密循环执行数百万次这样的操作，可能会有所不同。但那时你可能已经并行化了，使问题变得无关紧要。 - undefined

@eyelash 这将会被内联。 - undefined

@Oersted 在一个空向量上，v.size() - 1 会导致溢出，但由于 v.size() 是无符号的，所以这不是一个错误。错误发生在将该值添加到向量数据指针时。 - undefined

Answer 1

两者都是非法的。前者被UBSAN（也称为-fsanitize=undefined）拒绝（参见[expr.add]/4）

runtime error: applying non-zero offset 18446744073709551612 to null pointer

而后者被 -D_GLIBCXX_DEBUG 拒绝：

Error: attempt to access an element in an empty container.

有没有GCC或Clang的编译器标志？

上述两个，再加上`-fsanitize=address`。

`-D_GLIBCXX_DEBUG`是特定于libstdc++的。如果您使用的是带有libc++而不是libstdc++的Clang，则使用`-D_LIBCPP_ENABLE_DEBUG_MODE`。（似乎需要libc++ 17或更新版本，他们的调试模式一度出现问题。它似乎也缺少迭代器验证。:c）

- HolyBlackCat

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能否在编译时而非运行时发现这些错误？ - undefined

@eyelash 很可能不会。你可以尝试一些静态分析工具，看看它们是否能够捕捉到这个问题。 - undefined

Answer 2

根据C++20标准，行为是未定义的（7.6.6加法运算符）

（4.1）- 如果P评估为null指针值且J评估为0，则结果是null指针值。 （4.2）- 否则，如果P指向具有n个元素（9.3.4.5）的数组对象x的数组元素i，其中J的值为j，则表达式P + J和J + P指向x的（可能是假设的）数组元素i + j，如果0 ≤ i + j ≤ n，并且表达式P - J指向x的（可能是假设的）数组元素i - j，如果0 ≤ i - j ≤ n。 （4.3）- 否则，行为是未定义的。

- Vlad from Moscow