reinterpret_cast 的 bug 或 UB？

Question

reinterpret_cast 的 bug 或 UB？

c++language-lawyerundefined-behaviorreinterpret-cast

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考虑以下代码：

#include <cstdint>
#include <algorithm>

std::uintptr_t minPointer(void *first, void *second) {
    const auto pair = std::minmax(
        reinterpret_cast<std::uintptr_t>(first),
        reinterpret_cast<std::uintptr_t>(second)
    );
    return pair.first;
}

针对minPointer，使用GCC8的-O3生成的汇编代码如下：

https://godbolt.org/z/qWJuV_

minPointer(void*, void*):
  mov rax, QWORD PTR [rsp-8]
  ret

这段代码明显没有实现代码创建者预期的功能。这段代码是否会导致未定义行为或者是GCC（8）的一个错误？

- bartop

据我所知，如果指针不在同一数组或对象中，则简单地不能使用“<”来比较它们；其他任何情况都是未定义的行为。 - underscore_d

1

（参见下面的评论，但仍然有些相关）[比较空指针的小于运算符] - underscore_d

@underscore_d，让我们不要鼓励C++和C遵循相同的规则这一误解。 - Brian Bi

1

@underscore_d 我同意Justin的观点。不过你提到的内容仍然很有趣，我之前并不知道。 - bartop

4

参考链接包括：使用'auto'和std::minmax观察到奇怪的行为 / 如果std::max()返回引用（必须如此），是否会导致悬空引用？ - 以及minmax的cppreference说明 - 稍微往下拉一点 - “对于重载版本（1,2），如果其中一个参数是右值，则所返回的引用在包含该调用的完整表达式结束后变成悬空引用”。 - underscore_d

2

另一个：使用std::minmax和rvalues的结构化绑定（提示：您无法通过结构化绑定避免此问题，因为如果您将类型声明为值，则适用于不可见的“pair”，而不是其成员） - underscore_d

2个回答

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reinterpret_cast很好定义。问题在于const auto pair的类型是const std::pair<const std::uintptr_t&, const std::uintptr_t&>，因为这是 std::minmax返回的内容，所以你得到了悬空引用。

你只需要消除悬空引用就可以让它工作：

std::uintptr_t minPointer(void *first, void *second) {
    const std::pair<std::uintptr_t, std::uintptr_t> pair = std::minmax(
        reinterpret_cast<std::uintptr_t>(first),
        reinterpret_cast<std::uintptr_t>(second)
    );
    return pair.first;
}

Godbolt链接

- Justin

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可以查看英文原文，
原文链接

- Barry · Accepted Answer

这是UB，但不是你想的那个原因。

std::minmax() 的相关签名为：

template< class T > 
std::pair<const T&,const T&> minmax( const T& a, const T& b );

在这种情况下，你的 pair 是指向 uintptr_t const 的引用对。我们引用的实际对象在哪里？没错，它们是在最后一行创建的临时对象，已经超出了作用域！我们有悬空引用。

如果您写成：

return std::minmax(
    reinterpret_cast<std::uintptr_t>(first),
    reinterpret_cast<std::uintptr_t>(second)
).first;

那么我们就没有任何悬空引用，你可以看到gcc生成了适当的代码：

minPointer(void*, void*):
  cmp rsi, rdi
  mov rax, rdi
  cmovbe rax, rsi
  ret

作为另一种选择，您可以明确指定pair的类型为std::pair<std::uintptr_t, std::uintptr_t>。或者完全绕过pair并return std::min(...);。

就语言细节而言，由于[expr.reinterpret.cast]/4，您可以将指针转换为足够大的整数类型，并且std::uintptr_t保证足够大。因此，一旦您解决了悬空引用问题，就没问题了。