C++中的严格别名规则和类型别名

Question

我正在尝试理解违反严格别名规则时的未定义行为。我已经阅读了许多关于此问题的文章，但仍有一个问题：我不太明白两种类型何时非法别名。cpp-reference指出：

类型别名

每当试图通过类型为AliasedType的glvalue读取或修改DynamicType类型对象的存储值时，除非以下情况之一成立，否则行为是未定义的：

• AliasedType和DynamicType相似。
• AliasedType是DynamicType的（可能是cv-qualified的）有符号或无符号变体。
• AliasedType是std::byte、（自C++17起）char或unsigned char：这允许将任何对象的对象表示视为字节数组进行检查。

我还在SO上找到了一个很好的例子，其中我清楚地看到了问题：

int foo( float *f, int *i ) { 
    *i = 1;               
    *f = 0.f;            

   return *i;
}

int main() {
    int x = 0;

    std::cout << x << "\n";   // Expect 0
    x = foo(reinterpret_cast<float*>(&x), &x);
    std::cout << x << "\n";   // Expect 0?
}

"

int和float是不同类型的数据，这个程序可能会造成严重后果。我看不懂也不理解以下修改的意义：

"

struct A
{
    int a;
};

struct B
{
    int b;
};

A foo( A *a, B *b ) { 
    a->a = 1;               
    b->b = 0;            

    return *a;
}

int main() {
    A a;
    a.a = 0;


    std::cout << a.a << "\n";   // Expect 0
    a = foo(&a, reinterpret_cast<B*>(&a));
    std::cout << a.a << "\n";   // Expect 0?
}

我想知道 A 和 B 是否属于相似类型，一切是否正常，还是它们在非法别名使用，导致未定义的行为。如果这是合法的，是因为 A 和 B 是聚合体（如果是，我需要做出什么改变才能使其成为未定义的行为）？

非常感谢您提供任何提示和帮助。

编辑 关于重复问题

我知道 this 帖子，但我没有看到他们澄清哪些类型是相似的。至少我不理解。因此，如果您不关闭此问题，那就太好了。

- user4290866

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可能是reinterpret_cast vs strict aliasing的重复问题。 - Richard Critten

"A"和"B"是不相关的类型，这样做是非法的。 - bolov

"...A 和 B 是兼容类型吗？"：不是。" - Richard Critten

@RichardCritten 我不明白为什么你把这个问题标记为重复，因为另一个问题并没有真正尝试澄清两种类型何时兼容，这是这个问题的主要问题。我又错过了重要的东西吗？ - user4290866

@RichardCritten，您能否更清楚地解释一下您的“不”？ - user4290866

C类型的文档引用了“兼容类型”，链接为 https://en.cppreference.com/w/c/language/type ；而C++文档则没有，链接为 https://en.cppreference.com/w/cpp/language/type 。因此，“兼容类型”对于C++不相关，而重复的链接解释了其他所有内容。在对象是什么以及如何操作/引用它的领域中，C和C++之间存在显着差异。混合使用两个标准的术语可能会导致混淆。 - Richard Critten

Answer 1

不，这是不合法的，你会有未定义行为：

8.2.1 值类别 [basic.lval] 11 如果程序试图通过非以下类型之一的glvalue访问对象的存储值，则行为是未定义的：⁶³ (11.1) — 对象的动态类型， (11.2) — 对象的动态类型的cv限定版本， (11.3) — 类型与对象的动态类型相似（如7.5中定义）， (11.4) — 是与对象的动态类型对应的有符号或无符号类型， (11.5) — 是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， (11.6) — 包括上述类型之一作为其元素或非静态数据成员（包括递归地是子聚合或包含联合的元素或非静态数据成员）的聚合体或联合体， (11.7) — 是对象的动态类型的（可能带有cv限定）基类类型， (11.8) — char、unsigned char或std::byte类型

63）此列表的目的是指定对象可能或可能不被别名的情况。

- bolov

Answer 2

在表达式 b->b = a; 中，未定义的行为不是由于赋值，而是由于类成员访问表达式b->b。如果这个表达式不是未定义的行为，你的代码就不会是未定义的行为。

在[expr.ref]/1中指定了类成员访问构成对对象b的访问（在->的左侧）：

引用块中的后缀表达式后跟一个点.或箭头->，可选地跟随关键字template（[temp.names]），然后跟随id-expression，是一个后缀表达式。在点或箭头之前的后缀表达式被评估；该评估的结果连同id-expression确定整个后缀表达式的结果。

加粗是我的。

所以，b->b 使用类型为B 的表达式读取对象a 的值，并且你引用的规则在此适用。

- Oliv

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给定类似于 intPtr1 = &someVolatileStructArray[i++].someIntMember; 的语句，标准如何描述子表达式 someVolatileStructArray[i++] 的操作？由于该语句会增加 i，但不执行任何 volatile 访问，我认为很明显代码对该子表达式进行了某些操作，但并没有对其进行评估。 - supercat

@supercat 如果 someVolatileStructArray[i++]，我在标准中没有找到任何明确的说明。我的推理是，在 [exp.ref] 规则中并没有说明对虚基类成员或虚函数成员的访问，或者在这种情况下是否适用于 volatile。因此，为了使语言一致，我认为在 [exp.ref]/1 中，“评估”也意味着访问。 - Oliv

Answer 3

关于类似类型，reinterpret_cast 部分有一些有用的解释和示例：

非正式地，如果忽略顶层cv限定符，则两种类型在以下情况下相似：

它们是相同的类型；或

它们都是指针，并且所指向的类型是相似的；或

它们都是指向同一类的成员的指针，并且所指向的成员的类型是相似的；或

它们都是相同大小的数组或未知边界的数组，并且数组元素类型是相似的。

例如：

const int * volatile *和int ** const是相似的；

const int(* volatile S::* const)[20]和int(* const S::* volatile)[20]是相似的；

int(* const *)(int *)和int(* volatile *)(int *)是相似的；

int(S::*)() const和int(S::*)()不相似；

int(*)(int *)和int(*)(const int *)不相似；

const int(*)(int *)和int(*)(int *)不相似；

int(*)(int * const)和int(*)(int *)是相似的（它们是相同的类型）；

std::pair和std::pair不相似。

这个规则使得基于类型的别名分析成为可能，编译器假设通过一个类型的glvalue读取的值不会被写入到不同类型的glvalue中（受上述异常的限制）。

请注意，许多C++编译器放宽了这个规则，作为非标准的语言扩展，以允许通过联合的非活动成员访问错误类型（这种访问在C中不是未定义的）。

- bernie