C++ memset后使用placement new

Question

假设有一个结构体，其构造函数没有初始化所有成员变量：

struct Foo {
  int x;
  Foo() {}
}

如果我使用memset将某个缓冲区设置为0，并在该缓冲区上使用placement new创建Foo的实例，然后从该实例中读取x，这是定义良好的行为吗？

void bar(void* buf) {
  memset(buf, 0, sizeof(Foo));
  Foo* foo = new(buf) Foo;
  std::cout << foo.x; // Is this undefined behavior?
}

- Daniel Ricketts

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这里有一个很棒的CppCon视频展示了这个兔子洞有多深。 - Marek R

Answer 1

作为对其他答案的补充：

如果有人想把这个问题当做“技术上未定义的行为，但对我来说足够安全”而草率地解决掉，那么请允许我演示一下结果代码是多么彻底地破碎。

如果x被初始化：

struct Foo {
  int x = 0;
  Foo() {}
};

// slightly simpler bar()
int bar(void* buf) {
  std::memset(buf, 0, sizeof(Foo));
  Foo* foo = new(buf) Foo;
  return foo->x; 
}

使用 -O3 的 g++-11 会产生以下结果：

bar(void*):
        mov     DWORD PTR [rdi], 0   <----- memset(buff, 0, 4) and/or int x = 0 
        xor     eax, eax             <----- Set the return value to 0
        ret

这很好。事实上，它甚至没有表现出任何通过原地未初始化构造可以希望消除的开销。编译器是聪明的。

与此相反，当离开x未初始化时：

struct Foo {
  int x;
  Foo() {}
};
// ... same bar

我们使用同样的编译器和设置得到：

bar(void*):
        mov     eax, DWORD PTR [rdi] <----- Just dereference buf as the result ?!?
        ret

嗯，这肯定是更快了，但是memset()发生了什么？

编译器认为，既然我们在新的内存上面放了一个未初始化的int（也就是垃圾），它甚至不需要在第一次使用memset()时费心。它可以只是“回收”以前存在的垃圾。

anything -> 0 -> anything最终会折叠成anything。因此，函数不改变由buff指向的内存是代码的合理解释。

您可以在godbolt 这里上尝试这些示例。

- user4442671

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注：我认为编译器在第二种情况下只保留eax是可以的。但我可以理解返回存储在对象存储中的值可能与gcc为祖先联合添加的附加别名安全性一致。 - user4442671

另一个可以玩的东西：Foo* foo = new (std::launder((Foo*)buf)) Foo;。 - Evg

@Evg std::launder 需要一个对象已经在那个位置上了，不是吗？这个“工作”的原因是编译器必须假设这是正确的（即使它并不是），但我不确定除非 IOC 以某种方式介入，否则这是否被正式定义。 - user4442671

@Evg 标准中 std::launder 的名称是 指针优化屏障。它强制编译器假定新的 Foo 和 buf 不会相互别名，尽管这显然是正确的。因此，memset() 应用于 buf，而 Foo 构造应用于新的 Foo 指针，并且编译器被迫将它们视为不同的地址。 - user4442671

@Evg 我认为这可能就是gcc对于未初始化的整数没有提供明确定义存储的情况所做的事情：https://gcc.godbolt.org/z/Mo7exn4zq（当然，它也可能是其他无数种情况）。 - user4442671

Answer 2

这是典型的未定义行为。在构造函数后，成员变量x没有被初始化，读取未初始化的变量是未定义行为。

之前填充该内存的内容是无关紧要的。

- SergeyA

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@alagner，是的，在对象生命周期开始后没有初始化。构造函数被调用，但成员变量没有被初始化。 - SergeyA

@AlexanderDyagilev你是错的。读取未初始化的变量是经典的未定义行为。 - SergeyA

@AlexanderDyagilev 你说的“它总是有效”的意思是什么？UB并不意味着编译失败。UB意味着您无法知道行为将是什么样子。在这个例子中，放置新的操作可以将缓冲区初始化为某些调试表示形式，这意味着x的值可能因不同的实现而异。此外，还有标准明确指出它是UB：https://timsong-cpp.github.io/cppwp/basic#indet-2 - NathanOliver

@AlexanderDyagilev - 好吧...直到你的程序因为一个可怜的布尔值而崩溃... https://dev59.com/hFQJ5IYBdhLWcg3wT0HJ - StoryTeller - Unslander Monica

@AlexanderDyagilev -- "未定义行为"并不意味着"一定会出现问题"。它只是表示C++语言规范没有告诉你包含该行为的程序会做什么。通常，这样的程序会运行得非常好。直到你向最重要的客户演示时，它才会崩溃。 - Pete Becker