将指向结构体的指针强制转换为数组指针是否有效？

Question

假设有一个聚合结构体/类，其中每个成员变量都是相同的数据类型：

struct MatrixStack {
    Matrix4x4 translation { ... };
    Matrix4x4 rotation { ... };
    Matrix4x4 projection { ... };
} matrixStack;

将其转换为其成员数组有多有效？例如：

const Matrix4x4 *ptr = reinterpret_cast<const Matrix4x4*>(&matrixStack);
assert(ptr == &matrixStack.translation);
assert(ptr + 1 == &matrixStack.rotation);
assert(ptr + 2 == &matrixStack.projection);
auto squashed = std::accumulate(ptr, ptr + 3, identity(), multiply());

我这样做是因为在大多数情况下，我需要使用命名成员访问来提高代码的清晰度，而在其他一些情况下，我需要将数组传递给其他API。通过使用reinterpret_cast，我可以避免分配内存。

- Ben

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我的理解是，使用强制类型转换的结果，除非使用reinterpret_cast，否则几乎总是存在未定义行为的风险。这种特殊情况可能会按预期工作（除非编译器混淆了结构体对齐方式，使得Matrix4x4成员在内存中不完全连续），但这仍然不能被标准保证。 - antred

可能会起作用，也可能不会，这取决于Matrix4x4的实际大小和数据对齐设置。 - Anton Malyshev

结构体可以有填充，而数组从不具有填充。 - sashoalm

@antred，假设Matrix4x4与int对齐（我确实可以控制这一点），并且该结构体严格非虚拟，那么编译器在第一个成员之前和成员之间进行填充的好理由是什么？这不是一个修辞问题，我只是想知道是否存在这样的情况。 - Ben

Answer 1

演员不必按标准工作。

然而，你可以使用静态断言使你的代码更安全，如果假设被违反，它将阻止编译:

static_assert(sizeof(MatrixStack) == sizeof(Matrix4x4[3]), "Size mismatch.");
static_assert(alignof(MatrixStack) == alignof(Matrix4x4[3]), "Alignment mismatch.");
// ...
const Matrix4x4* ptr = &matrixStack.translation;
// or
auto &array = reinterpret_cast<const Matrix4x4(&)[3]>(matrixStack.translation);

- Maxim Egorushkin

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你是不是想在两个sizeof/alignof参数之间使用==？ - Aaron McDaid

也许可以添加一个检查，即 offsetof(MatrixStack, translation)==0。第一个元素是否始终保证具有偏移量为零？我们可以检查另外两个成员是否具有预期的偏移量。 - Aaron McDaid

使用静态断言进行验证是很不错的选择。谢谢Maxim。 - Ben