将 std::pair<T1, T2> const& 转换为 std::pair<T1 const, T2> const& 是否安全？

Question

将 std::pair<T1, T2> const& 转换为 std::pair<T1 const, T2> const& 是否安全？

c++templatescastingconstantsreinterpret-cast

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在理论或实践中，将std::pair<T1, T2> const &重新解释为std::pair<T1 const, T2> const &是否安全，假设程序员没有故意进行像特化std::pair<T1 const, T2>这样奇怪的操作？

- user541686

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我喜欢那两个由高声望的C++程序员留下的空白答案，哈哈。 - GManNickG

6

我也讨厌 std::map ;) - Potatoswatter

2

虽然我不得不问（同意Nawaz）：为什么？ - GManNickG

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因为作为一个容器，std::map 不允许你规定 value_type 是什么。它必须是 std::pair< key const, mapped >。如果使用不当，它会干扰你的程序设计并违反关注点分离原则。(因此，我怀疑最实际的解答应该解释如何适应 std::set 或其他容器。) 但这个问题足够真实，并且在已经“锁定”为 std::map 的设计中很常见，因此这不是一个 XY 问题。 - Potatoswatter

2

你可以尝试从另一个中构造一个 std::pair<T1 const, T2> q(p.first, p.second)，看看编译器是否会消除复制。或者使用智能指针。 - Maxim Egorushkin

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3个回答

6

pair在标准的第20.3.2节中定义为具有以下数据成员：

template <class T1, class T2>
struct pair {
    T1 first;
    T2 second;
};

这意味着对于具体类型 T1、T2、pair<T1, T2> 和 pair<const T1, T2>，它们分别保证拥有以下数据成员：

struct pair<T1, T2> {
    T1 first;
    T2 second;
};
struct pair<const T1, T2> {
    const T1 first;
    T2 second;
};

现在，如果T1和T2都是标准布局，那么pair<T1，T2>和pair<const T1，T2>都是标准布局。如上所述，根据DR1334，它们不是布局兼容 (3.9p11)，但根据9.2p19，它们可以reinterpret_cast到它们各自的T1或const T1第一个成员。根据9.2p13，T2第二个成员必须位于第一个成员之后（即具有更高的地址），并且根据1.8p5必须立即位于第一个成员之后，使对象在考虑对齐后连续（9.2p19）。

我们可以使用offsetof检查这一点（它适用于标准布局类型）：

static_assert(offsetof(pair<T1, T2>, second) ==
    offsetof(pair<const T1, T2>, second), "!");

自从pair<T1, T2>和pair<const T1, T2>具有相同的布局后，按3.9.2p3所述，在向前转换时进行转换并使用结果访问成员是有效的：

如果类型T的对象位于地址A处，则值为A的类型cv T*指针被认为是指向该对象的指针，无论该值如何获得。

因此，仅当std::is_standard_layout<std::pair<T1，T2>>::value为true时，reinterpret_cast才是安全的。

- ecatmur

2

你看到Potatoswatter在问题上的评论和链接的缺陷报告了吗？他声称T1和const T1实际上不是布局兼容的。我不确定我是否同意这个观点，但你需要一些证据来支持你的说法，即它们是布局兼容的。 - Ben Voigt

@BenVoigt 哦，没注意到。不过我认为我们可以在它们没有布局兼容的情况下进行管理。 - ecatmur

我认为1.8p5并不严格要求std::pair<T1, T2>和std::pair<const T1, T2>具有相等的大小、相等的填充、相等的offsetof等。这两种类型可以具有不同数量的填充，仍然每个类型都“占用连续的存储字节”。 - aschepler

@aschepler：如果它们具有相同的成员并且是标准布局，那么就不会出现问题。但我认为根据17.5.2.3，它们不一定具有相同的成员。 - Ben Voigt

0

实际上，将类型转换为const应该是安全的，因为您正在重新解释为具有相同表示形式的对象。然而，反过来引入了未定义的行为（从const到非const）。

至于“理论”答案，我应该指出，C++标准不保证const / non-const对象具有相同的位表示形式。 const关键字保证“概念上的常量性”，这取决于实现。

- user1556013

当然，它保证了const和非const对象的相同表示。const T＆可以绑定到任意一个对象。但是当一个或两个模板类型参数标记为const时，这并不排除std::pair具有不同布局的特化情况。也许有其他编程语言可以实现这一点吗？ - Ben Voigt

这对是不专业化的，正如问题中所提到的。 - user1556013

这并不是问题所说的。它只是说程序员没有定义专业化。标准库实现者可能已经定义了。 - Ben Voigt

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可以查看英文原文，
原文链接

- Ben Voigt · Accepted Answer

这样做是不可移植的。

std::pair 的要求在第20.3条中列出。第17.5.2.3条澄清了：

第18到30条和附录D不指定类的表示，并且有意省略了类成员的规范。实现可以根据需要定义静态或非静态类成员，或两者都定义，以实现第18到30条和附录D中指定的成员函数的语义。

这意味着，一个实现可以合法地（尽管极其不可能）包含一个部分特化，例如：

template<typename T1, typename T2>
struct pair<T1, T2>
{
    T1 first;
    T2 second;
};

template<typename T1, typename T2>
struct pair<const T1, T2>
{
    T2 second;
    const T1 first;
};

需要注意的是，这些类型显然不兼容布局。根据规则，还可以在first和/或second之前包含其他非静态数据成员的变体。

现在，考虑已知布局的情况会更有趣一些。尽管Potatoswatter指出了DR1334，声称T和const T不兼容布局，但标准提供了足够的保证，使我们能够在大部分情况下实现：

template<typename T1, typename T2>
struct mypair<T1, T2>
{
    T1 first;
    T2 second;
};

mypair<int, double> pair1;
mypair<int, double>* p1 = &pair1;
int* p2 = reinterpret_cast<int*>(p1); // legal by 9.2p20
const int* p3 = p2;
mypair<const int, double>* p4 = reinterpret_cast<mypair<const int, double>*>(p3); // again 9.2p20

然而，对于std::pair，我们无法应用9.2p20规则，因为我们不知道first实际上是初始成员，这一点没有明确说明。