将指针显式转换为“指向指针的指针”

Question

我在一次面试中看到了这段代码。

int main()
{
    int **p;
    p = (int **) new int(7);
    cout<<*p; 
    return 0;
}

我本来期望在*p处会有一些运行时错误。但是当我运行代码时，它成功执行并输出了“0x7”。请问有人能解释一下这是如何工作的吗？谢谢。

- Forever Learner

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你想要做什么？一个基本的经验法则是，如果你需要进行类型转换，那么你的方法就不正确。由于 new int(7) 返回 int* 类型，所以你需要进行类型转换。但是进行类型转换并不能使代码变得正确，它只是掩盖了你犯错的事实。请移除类型转换并从此处开始工作。 - David Heffernan

@David：代码可能来自面试，而不是原始帖子。 - Vlad

@ David Heffernan：这是笔试中的一道面试题。有四个选项：编译时错误，运行时错误，代码将正常运行和以上都不是。我甚至不明白他们想通过这样的面试问题来衡量什么样的知识。 - Forever Learner

@Mr Lister：很可能，即使sizeof（int）！= sizeof（pointer），这也不会失败。它只会覆盖一些内存，但很有可能这不会导致程序崩溃。 - Vlad

好的，它将从未分配的内存中读取。最好的情况是它打印一些随机数。只要我们同意根据情况可能出现“运行时错误”或“正常运行”，那就没问题。 - Mr Lister

Answer 1

正确的答案应该是“以上都不是”，除非你有一些额外的限制条件。基本上，这段代码是分配了一个整型，并将那段内存解释成一个整型指针（通过 reinterpret_cast）。第一个问题是，由于这是一个 reinterpret_cast，在一般情况下，结果是未指定的；如果 int 的大小小于 int* 的大小（比如在64位架构中），结果就会变成未定义行为，因为你读取超过了 new 调用中分配的大小。

- David Rodríguez - dribeas

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当您将 int（32 位）转换为 int*（64 位）时，结果会扩展到 64 位。 - gulyan

@gulyan 但在这种情况下，编译器不知道它应该执行那种类型的强制转换。唯一进行的转换是从int *到int **，在上面的行中！ - Mr Lister

@gulyan：不，在从32位整数到64位整数的static_cast中，编译器将执行扩展大小的转换，但在reinterpret_cast中，它将只添加代码来重新解释内存。也就是说，它将获取指向int的指针，并读取下一个64位（8字节）作为int *，这是未定义的行为。这是C样式转换最大的问题之一，它不像显式的C++转换那样清晰。 - David Rodríguez - dribeas

Answer 2

你创建一个新的int变量，并将其初始化为值7。

int *x = new int(7);

你可以将它转换为指针（例如内存地址7或0x07）。

int **p = (int**) new int(7);

然后你可以用cout显示这个地址。

*p is equal to (int*)7

这是一个值为7的指针。

- gulyan

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这似乎表明代码是正确的，或者至少在任何情况下都会产生相同的输出，但实际上并不是这样。对 p 的解引用会导致未定义的行为。 - David Rodríguez - dribeas

Answer 3

new int(7);

分配内存给一个值为7的int，并返回指向它的指针。

int **p = (int **) new int(7);

告诉编译器将该内存解释为一个 int**。

cout << *p;

告诉编译器，在地址*p处是一个int *类型的值，并输出其值。该值为0x07（它将int 7视为地址）。多次解引用会导致崩溃（确切地说是未定义的行为）。

- Luchian Grigore

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现有的代码已经存在未定义的行为......不需要进行额外的解引用操作。 - David Rodríguez - dribeas

@Luchian Grigore：谢谢，这很有帮助。 - Forever Learner

Answer 4

int main()
{
    int **p;                  // declare pointer to pointer called p
    p = (int **) new int(7);  // new allocates integer initialized to value of 7 and returns a pointer.  Cast the pointer to a point to pointer.  p now represents a pointer to a pointer with contents of 0x7.  If you called **p you would get the contents at address 0x7.
    cout << *p; // dereference p, this yields a pointer, which is an int of value 0x7.
}

这个问题很可能是为了测试你对指针的了解，但似乎并不是非常实际。

- Josh Petitt

Answer 5

int main()
{
    int **p = (int **) new int(7);
    cout << *p;
}

所以，new int(7) 分配了 sizeof(int) 字节的内存并返回一个指向它的指针。假设内存恰好位于地址 X 处。然后将 X 强制转换为 (int**) 并存储在 p 中。

*p 解引用 int**，这意味着它将地址为 X 的 int 值 7 解释为 int*。

• 如果 sizeof(int*) 大于 sizeof(int)，那么作为 int* 读取将超出使用 new 分配的缓冲区 - 不管数据类型和任何重新解释都是未定义的行为。

• 如果它们大小相同，则 CPU 将尝试将包含整数 7 的内存读取为 int* - 这通常会产生值 int*(7)，但查看标准 5.2.10.5：

整数类型或枚举类型的值可以显式转换为指针。[脚注：将具有零值的整数常量表达式（expr.const）转换为指针（conv.ptr）始终产生空指针，但将其他恰好具有零值的表达式转换为指针不一定会产生空指针。 --- 结束脚注] 将指针转换为足够大小的整数（如果实现中存在这样的整数），然后再次转换为相同的指针类型，将具有其原始值；指针和整数之间的映射是另外由实现定义的。

因此，整数值保证可以转换为某个指针值-没有任何未定义的情况-但该值是实现定义的。 仍然，作为可逆操作，int 7几乎肯定会产生一个值为7的int*，从而解释了输出“7”的观察结果。

如果指针大小小于int大小，则它将读取int值的一片，并将其解释为指针。 根据字节序，该片可能为0或7或甚至其他内容，但是作为一个int，它必须能够转换为将显示的某些指针值。

- Tony Delroy