为什么reinterpret_cast不是constexpr？

Question

考虑以下代码片段：

static constexpr uint8_t a = 0;
static constexpr const int8_t *b = reinterpret_cast<const int8_t *>(&a);

由于C++标准禁止在 constexpr 中使用reinterpret_cast ，因此出现错误： error: a reinterpret_cast is not a constant expression。

然而，如果我想要将值b存储在PROGMEM（针对AVR微控制器），编译则会成功：

static constexpr uint8_t a = 0;
static const int8_t PROGMEM *const b = reinterpret_cast<const int8_t *>(&a);

在这种情况下，编译器能够证明表达式reinterpret_cast<const int8_t *>(&a)是编译时常量，因为它将其结果（指向某个包含零的字节的地址）插入二进制程序空间中：

在此情况下，编译器能够证明表达式reinterpret_cast<const int8_t *>(&a)是编译时常量，因为它会将其结果（指向某个包含零的字节的地址）插入到程序空间中的二进制代码中。

_ZL1g:
  .zero   1
  .section        .progmem.data,"a",@progbits
  .type   _ZL1b, @object
  .size   _ZL1b, 2
_ZL1b:
  .word   _ZL1g

另外，我的理解是 reinterpret_cast 是一个编译时指令。那么为什么它不能在 constexpr 中使用呢？

- Conor Taylor

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不是非常好，但一个解决方法是从 void 类型转换... 所以 static_cast<uint8_t*>(static_cast<void*>(ptr)) - Treviño

Answer 1

C++语言在运行时有"未定义行为"的概念。在某些（明确定义的）情况下，程序会出现未定义行为，这意味着它可以表现出任何行为：它可能崩溃、可能一直挂起、可能打印无意义的字符、可能看起来工作正常或者可以做任何事情。简单地说，造成这种情况的原因是性能。

在运行时，这是一种权衡（妥协），但在编译时是不可接受的。如果标准允许在编译时出现未定义行为，那么不仅可以在编译程序时获得崩溃，或者编译无限期，而且您永远无法确定已编译的可执行文件的有效性。

因此，任何形式的constexpr都必须100％没有未定义行为。毫不例外。没有任何余地。

reinterpret_cast是未定义行为的一个臭名昭著的源头。很少有有效使用reinterpret_cast，其中大多数结果都会导致未定义行为。此外，实际上不可能检查使用是否有效。因此，在编译过程中不允许使用reinterpret_cast，即在constexpr中不允许使用。

- bolov

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在运行时，reinterpret_cast 可能会触发未定义行为，但这并不意味着在编译时不能允许其使用的子集。 - Acorn

@Acorn，如果允许某些用途，这将使语言变得过于复杂，而且那些用途无论如何都只是所有有效情况的子集。委员会决定反对它，而是选择使用constexpr容器来解决几乎所有需要reinterpret_cast的问题。 - bolov

@Acorn：“像OP描述的这样的情况很容易允许。”如果你不是要在编译器中实现它们，那么我不会那么快地说任何这样的事情都是“容易”的。使用reinterpret_cast等效的操作足够简单，并且更易读。您可以根据需要在有符号和无符号之间进行静态转换。这样，当您将值从一种类型转换为另一种类型时，每个人都可以100％清楚，并且实现不必不断处理编译器应该使用哪种解释的问题。 - Nicol Bolas

@ConorTaylor：“不复制数据”是谁决定你所做的任何事情的必要限制？这只是一个字节；我认为你可以承受一个字节的复制。我的观点是，你可以更直接地实现相同的目标：当你想以不同的方式访问值时，只需复制它即可。 - Nicol Bolas

@NicolBolas 我发布的片段是问题的简化，实际对象比一个字节大得多。而且它旨在应用于嵌入式环境。因此，在我的情况下，这是必要的限制，但并不适用于constexpr reinterpret_cast问题，因为您当然可以进行static_cast并存储在lvalue中。 - Conor Taylor

Answer 2

那为什么它不能在constexpr中使用呢？ 简单来说，标准不允许这样做。自C++11以来，constexpr一直是一个不断扩展的特性，因此自然而然地认为reinterpret_cast的子集使用可以起作用。 问题是：是否允许使用实际上有用或者会带来积极的危害。reinterpret_cast的用途非常少，特别是如果您编写和编译代码时假定严格的别名规则保持不变：很容易创建打破它的指针。 另一方面，显然对于嵌入式用户和专门的编译器/标志/环境，它可能在某种程度上是有用的。

- Acorn