将`T*`强制转换为`T(*)[N]`是否属于未定义行为？

Question

考虑以下情景：

std::array<int, 8> a;
auto p = reinterpret_cast<int(*)[8]>(a.data());
(*p)[0] = 42;

这算是未定义行为吗？我认为是。

• a.data() 返回一个 int*，它和 int(*)[8] 不同。

• cppreference 上的类型别名规则似乎表明 reinterpret_cast 是无效的。

• 作为程序员，我知道 a.data() 指向的内存位置是一个包含 8 个 int 对象的数组。

我错过了什么规则使得这个 reinterpret_cast 是有效的吗？

- Vittorio Romeo

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std::array 要求是一个连续的容器。因此，问题归结为是否可以将已知为有效指针范围 [p; p+N) 的 int * p 强制转换为 int[N]。 - lisyarus

https://dev59.com/fVYN5IYBdhLWcg3wHlG3 - n. m.

标题有误导性。进行指针转换永远不会产生未定义行为。潜在的问题是通过对转换结果进行解引用来访问内存。 - M.M

Answer 1

一个数组对象及其第一个元素不能相互转换为指针^*，因此 reinterpret_cast 的结果是指向 "包含 8 个 int 的数组" 的指针类型，其值为 "指向 a[0] 的指针"¹。换句话说，尽管类型不同，它实际上并不指向任何数组对象。

然后，代码将这样一个指针（作为索引表达式 (*p)[0] 的一部分）的解引用结果应用于数组到指针转换²。当且仅当 lvalue 实际上引用了一个数组对象时，才指定该转换的行为³。由于在这种情况下 lvalue 并没有引用任何数组对象，所以通过省略行为来定义其行为为未定义⁴。

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_{^*如果问题是“为什么数组对象及其第一个元素不可相互转换？”，它已经被问过了：指针可转换性与具有相同地址。}

_{¹请参见 [expr.reinterpret.cast]/7、[conv.ptr]/2、[expr.static.cast]/13 和 [basic.compound]/4。}

_{²请参见 [basic.lval]/6、[expr.sub] 和 [expr.add]。}

_{³[conv.array]："结果是指向数组第一个元素的指针。"}

_{⁴[defns.undefined]：未定义行为指"本文档不强制执行任何要求"，包括"当本文档省略任何明确的行为定义时"。}

- T.C.

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@hvd 我的意思是指针指向该 int [8] 子对象的子对象；即，它仍然指向数组的一个元素，而不是数组本身。您无法使用 reinterpret_cast 从指向元素的指针获得指向数组的指针。 - T.C.

好的，等我回到电脑前我会检查是否有任何东西可以反驳它，如果没有，我会删除我的答案。同时，你的逻辑表明，std::launder仍然足以使其有效。你同意吗？ - user743382

只有在满足无额外可达性要求的情况下，才能执行该操作，这将取决于所涉及的数组。 - T.C.

@hvd 问题在于您是否可以使用结果指针访问超出该子对象的内容。例如，如果 std::array<int, 8> 类似于 struct {int e[8]; char dummy;};，那么指向该 int[8] 的指针可以与指向整个结构体的指针进行指针互换，因此可以访问 dummy，这使得 launder 不确定。 - T.C.

@PasserBy int i; *reinterpret_cast<float*>(&i) = 1; 尝试通过一个类型为 float 的左值引用来修改 i。 - T.C.

Answer 2

是的，这种行为是未定义的。

int*（a.data()的返回类型）与int(*)[8]不同，因此您正在违反严格的别名规则。

当然，这更多地是为了未来的读者受益。

int* p = a.data();

这是完全有效的，随后的表达式p+n也是如此，其中整数类型n的取值在0到8之间（包括0和8）。

- Bathsheba

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我正在转换 .data()，而不是数组本身。 - Vittorio Romeo

@VittorioRomeo：哎呀，已经改正了，但答案仍然正确。 - Bathsheba

在我看到的99.9999%可能有用的情况下，我建议使用gsl::span来解决这个问题。 - Mgetz

我认为这个答案仍然是误导性的或者有错别字："int*" 是一个完全不同的类型，与 "std::array<int, N>*" 不同。我没有将其转换为 "std::array<int, N>*"，而是转换为 "int(*)[8]"。 - Vittorio Romeo

@VittorioRomeo：再编辑一次——我倾向于这样做。 - Bathsheba

我认为使用类型为“int”的lvalue访问类型为“int”的对象（恰好是数组的成员）不违反严格别名规则。 - M.M