类型双关语主题的变化：就地琐碎构造

Question

我知道这是一个很常见的主题，但尽管很容易找到典型的 UB，但到目前为止我还没有找到这个变体。

所以，我尝试正式引入 Pixel 对象，同时避免数据的实际副本。

这有效吗？

struct Pixel {
    uint8_t red;
    uint8_t green;
    uint8_t blue;
    uint8_t alpha;
};

static_assert(std::is_trivial_v<Pixel>);

Pixel* promote(std::byte* data, std::size_t count)
{
    Pixel * const result = reinterpret_cast<Pixel*>(data);
    while (count-- > 0) {
        new (data) Pixel{
            std::to_integer<uint8_t>(data[0]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[1]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[2]),
            std::to_integer<uint8_t>(data[3])
        };
        data += sizeof(Pixel);
    }
    return result; // throw in a std::launder? I believe it is not mandatory here.
}

预期的使用模式，大大简化：

std::byte * buffer = getSomeImageData();
auto pixels = promote(buffer, 800*600);
// manipulate pixel data

更具体地说：

• 此代码是否具有明确定义的行为？
• 如果是，是否可以安全地使用返回的指针？
• 如果是，它可以扩展到其他哪些Pixel 类型？ （放宽 is_trivial 限制？像素只有 3 个组件？）。

clang 和 gcc 都将整个循环优化为虚无，这正是我想要的。现在，我想知道这是否违反了某些 C++ 规则。

Godbolt link 如果你想玩它。

（注意：尽管有std::byte，但我没有标记c++17，因为问题使用char）

Answer 1

将promote 的结果用作数组是未定义的行为。如果我们查看[expr.add]/4.2，我们有

否则，如果 P 指向数组对象 x 的数组元素 i 和 n 元素 ([dcl.array])，则表达式 P + J 和J + P（其中J 的值为j）指向（可能是假设的）数组元素 i+j of x if 0≤i+j≤n 和表达式 P - J 指向（可能是假设的）数组元素 i−j of x if 0≤i−j≤n.

我们看到它需要指针实际指向一个数组对象。不过，您实际上并没有数组对象。您有一个指向单个 Pixel 的指针，而该指针恰好在连续内存中紧随其后有其他 Pixels。这意味着您可以实际访问的唯一元素是第一个元素。尝试访问其他任何内容都是未定义的行为，因为您超出了指针的有效域的末尾。

Answer 2

您已经对返回的指针的有限使用有了答案，但我想补充一点，我还认为您需要 std::launder 才能访问第一个 Pixel：

reinterpret_cast 在创建任何Pixel 对象之前完成（假设您在getSomeImageData 中没有这样做）。因此reinterpret_cast 不会改变指针值。结果指针仍将指向传递给函数的std::byte 数组的第一个元素。

当您创建Pixel 对象时，它们将嵌套在std::byte 数组中，std::byte 数组将为提供存储 Pixel 对象。

在某些情况下，重用存储会导致指向旧对象的指针自动指向新对象。但这不是这里发生的事情，所以result 仍将指向std::byte 对象，而不是Pixel 对象。我猜想使用它就好像它指向一个 Pixel 对象在技术上将是未定义的行为。

我认为这仍然成立，即使您在创建 Pixel 对象后执行 reinterpret_cast，因为 Pixel 对象和为其提供存储的 std::byte 不是 指针互转换。所以即使那样，指针也会继续指向std::byte，而不是Pixel 对象。

如果您从一个placement-new的结果中获得了要返回的指针，那么一切都应该没问题，就访问特定的Pixel对象而言。

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您还需要确保std::byte 指针与Pixel 适当对齐，并且数组确实足够大。据我所知，该标准并不真正要求 Pixel 与 std::byte 具有相同的对齐方式，或者它没有填充。

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此外，这一切都不取决于Pixel 是微不足道的，或者实际上是它的任何其他属性。只要std::byte 数组的大小足够大并且与Pixel 对象对齐，一切都会以相同的方式运行。