reinterpret_casting std::aligned_storage* to T* without std::launder 是否违反严格混叠规则？ [复制]

Question

以下示例来自cppreference.com的std::aligned_storage page：

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <string>

template<class T, std::size_t N>
class static_vector
{
    // properly aligned uninitialized storage for N T's
    typename std::aligned_storage<sizeof(T), alignof(T)>::type data[N];
    std::size_t m_size = 0;

public:
    // Create an object in aligned storage
    template<typename ...Args> void emplace_back(Args&&... args) 
    {
        if( m_size >= N ) // possible error handling
            throw std::bad_alloc{};
        new(data+m_size) T(std::forward<Args>(args)...);
        ++m_size;
    }

    // Access an object in aligned storage
    const T& operator[](std::size_t pos) const 
    {
        return *reinterpret_cast<const T*>(data+pos);
    }

    // Delete objects from aligned storage
    ~static_vector() 
    {
        for(std::size_t pos = 0; pos < m_size; ++pos) {
            reinterpret_cast<T*>(data+pos)->~T();
        }
    }
};

int main()
{
    static_vector<std::string, 10> v1;
    v1.emplace_back(5, '*');
    v1.emplace_back(10, '*');
    std::cout << v1[0] << '\n' << v1[1] << '\n';
}

在示例中，operator[] 只是 reinterpret_casts std::aligned_storage* 到 T* 没有 std:launder，并直接执行间接。然而，根据this question，这似乎是未定义的，即使T 类型的对象曾经被创建过。

所以我的问题是：示例程序真的违反了严格的别名规则吗？如果不是，那我的理解有什么问题？

Answer 1

我在 ISO C++ 标准 - 讨论论坛中询问了 a related question。我从这些讨论中学到了答案，并在这里写下来，希望能帮助对这个问题感到困惑的其他人。我会根据这些讨论不断更新这个答案。

P0137之前，参考[basic.compound]第3段：

如果一个类型为 T 的对象位于地址 A 处，则称其值为地址 A 的类型为 cv T* 的指针指向该对象，而不管该值是如何获得的。

和 [expr.static.cast] 第 13 段：

如果原始指针值表示内存中某个字节的地址A，并且A满足T的对齐要求，则得到的指针值表示与原始指针值相同的地址，即A。

表达式reinterpret_cast<const T*>(data+pos) 表示先前创建的T 类型对象的地址，因此指向该对象。间接通过这个指针确实得到了那个对象，这是定义明确的。

但是在 P0137 之后，指针值的定义发生了变化，第一个块引用的字被删除。现在参考 [basic.compound] 第 3 段：

指针类型的每个值都是以下之一：

• 指向对象或函数的指针（指针被称为指向对象或函数），或

• ...

和 [expr.static.cast] 第 13 段：

如果原始指针值表示内存中一个字节的地址A，并且A不满足T的对齐要求，则结果指针值未指定。否则，如果原始指针值指向对象 a，并且存在与 a 指针可互转换的类型为 T（忽略 cv 限定）的对象 b，则结果是指向 b 的指针。 否则，指针值不会因转换而改变。

表达式reinterpret_cast<const T*>(data+pos) 仍然指向std::aligned_storage<...>::type 类型的对象，并且间接获取指向该对象的左值，尽管左值的类型是const T。示例中表达式v1[0] 的求值尝试通过左值访问std::aligned_storage<...>::type 对象的值，根据[basic.lval] 第11 段（即严格别名规则），这是未定义的行为：

如果程序尝试通过以下类型之一以外的左值访问对象的存储值，则行为未定义：

• 对象的动态类型，

• 对象动态类型的 cv 限定版本，

• 与对象的动态类型类似（定义在 [conv.qual] 中）的类型，

• 对象的动态类型对应的有符号或无符号类型，

• 对应于对象动态类型的 cv 限定版本的有符号或无符号类型，

• 在其元素或非静态数据成员（递归地包括子聚合或包含联合的元素或非静态数据成员）中包含上述类型之一的聚合或联合类型，

• 对象的动态类型的（可能是 cv 限定的）基类类型，

• char、unsigned char 或 std​::​byte 类型。

Answer 2

代码不会以任何方式违反严格的别名规则。 const T 类型的左值用于访问 T 类型的对象，这是允许的。

链接问题涵盖的相关规则是终身规则； C++14 (N4140) [basic.life]/7。问题是，根据这个规则，指针data+pos 可能不能用于操作placement-new 创建的对象。您应该使用placement-new“返回”的值。

问题自然随之而来：指针reinterpret_cast<T *>(data+pos) 呢？目前尚不清楚通过这个新指针访问新对象是否违反 [basic.life]/7。

您链接到的答案的作者假设（没有提供任何理由）这个新指针仍然是“指向原始对象的指针”。但是在我看来，也有可能争辩说，作为T *，它不能指向原始对象，即std::aligned_storage 而不是T。

这表明对象模型未指定。并入 C++17 的提案P0137 正在解决对象模型不同部分的问题。但它引入了std::launder，这是一种mjolnir，可以解决各种别名、生命周期和出处问题。

毫无疑问，std::launder 的版本在 C++17 中是正确的。不过，就我所见，P0137和C++17对于不带launder的版本是否正确，已经没有什么好说的了。

恕我直言，在没有std::launder 的 C++14 中调用代码 UB 是不切实际的，因为除了浪费内存存储放置新的所有结果指针之外，没有其他办法解决这个问题。如果这是 UB，那么在 C++14 中实现 std::vector 是不可能的，这远非理想。