reinterpret_cast 对 shared_ptr 的引用答案

【问题标题】：reinterpret_cast of a reference to a shared_ptrreinterpret_cast 对 shared_ptr 的引用
【发布时间】：2020-02-02 20:43:34
【问题描述】：

让 B 派生自 A 类。通过阅读各种帖子，我的印象是像 in 一样进行转换

    const std::shared_ptr<const A> a(new B());
    const std::shared_ptr<const B>& b = reinterpret_cast<const std::shared_ptr<const B>&>(a);

出于某种原因不鼓励使用，应该使用 reinterpret_pointer_cast 代替。但是，出于性能原因，我想避免创建新的 shared_ptr 。上面的代码合法吗？它会导致未定义的行为吗？它似乎在 gcc 和 Visual Studio 中工作。

【问题讨论】：

100% 未定义。
为什么要这样做？多态性的全部意义不在于不知道动态类型是什么吗？
@curiousguy 这已经是严格意义上的 UB 了吗？强制转换是未指定的行为，我认为当您使用指针时它会得到 UB，因为它违反了严格的别名规则。并不是说这种吹毛求疵真的很重要，但我很好奇。
@Jens 不，它是 UB，因为没有什么可以定义使用强制转换的 std 类的结果。
@curiousguy 只是投射不是 UB：stackoverflow.com/questions/58329972/…。还有一个对访问对象意味着什么的定义的参考。从正式的角度来看，我认为这个定义并不令人满意。

标签： c++ shared-ptr reinterpret-cast

【解决方案1】：

你想要static_pointer_cast。

const std::shared_ptr<const A> a(new B());
const std::shared_ptr<const B> b = std::static_pointer_cast<const B>(a);

我非常怀疑上述内容会导致任何性能问题。但是，如果您有证据表明 shared_ptr 会产生性能问题，则回退到原始指针：

    const B* pB = static_cast<const B*>(a.get());

另一个提示。请尽量避免在具有继承关系的类之间使用reinterpret_cast。在存在虚方法和/或多重继承的情况下，static_cast 将正确地将指针偏移量调整为正确的 vtable 或基本偏移量。但reinterpret_cast 不会。（或者从技术上讲：未定义的行为）

【讨论】：

shared_ptr和shared_ptr之间没有继承关系，所以不能使用static_cast。这些类应该只在它们持有的指针类型上有所不同，如果确实如此，那么 reinterpret_cast 应该没问题。我有一个 shared_ptr 的内部版本，它已经使用 reinterpret_cast 工作了多年。现在我想切换到标准的shared_ptr。但你是对的：我进行了测试，你的带有 static_pointer_cast 的版本和我的一样快。谢谢！
@DraganVidovic 这听起来更像是灾难的接收器，即使它已经工作了多年。 reinterpret_cast 的结果唯一可以保证的是它可以转换回原始类型。你用 reinterpret_cast 解决了什么问题？如果这些类是不相关的，我看不出有很多原因为什么我想对两个对象一视同仁。
@DraganVidovic 如果A和B不相关，你如何初始化const std::shared_ptr<const A> a(new B());？这失败了，因为指针类型不可分配：wandbox.org/permlink/CgowZQBX54kf9vbc
@Jens：正如问题中所述，“让 B 派生自 A 类。”它们是相关的； shared_ptr<A> 和 shared_ptr<B> 是不相关的。
@NicolBolas 感谢您指出这一点。我看错了评论。

【解决方案2】：

reinterpret_cast 通常会导致 UB。有时出于性能原因你愿意冒险使用它，但你会尽量避免这种事情。在这种情况下，您最好使用static_pointer_cast。

注意，即使你不知道，在这种情况下，你可以使用哪个其他演员表，并且你愿意冒险使用reinterpret_cast，你必须在演员表之后和之前使用一些验证 - 否则您将能够得到很多错误，并花费大量时间。

【讨论】：

【解决方案3】：

首先，您创建一个const std::shared_ptr<const A> a 类型的对象a，并使用指向某个类型B 的指针对其进行初始化。这仅在您可以将B* 分配给A* 时才有效，因此应该存在诸如继承之类的关系。忽略这一点，您可以使用 reinterpret_cast 将某种类型的对象转换为对另一种类型的引用：

类型 T1 的泛左值表达式可以转换为类型“reference to T2”，如果“指向 T1 的指针”类型的表达式可以显式使用 reinterpret_cast 转换为“指向 T2 的指针”类型结果引用与源 glvalue 相同的对象，但使用指定的类型。 [注意：也就是说，对于左值，引用转换 reinterpret_cast(x) 和转换的效果一样 *reinterpret_cast(&x) 带有内置的 & 和 * 运算符（同样适用于 reinterpret_cast(x)）。 ——尾注]

对于指针，reinterpret_cast 归结为转换为void*，然后转换为目标类型：

对象指针可以显式转换为对象指针一种不同的类型。72 当对象指针类型的纯右值 v 是转换为对象指针类型“pointer to cv T”，结果为 static_cast<cv T*>(static_cast<cv void*>(v)).

两个静态转换的语义定义为：

“指向 cv1 void 的指针”类型的纯右值可以转换为纯右值类型为“指向 cv2 T”的指针，其中 T 是对象类型，而 cv2 是与 cv1 相同的 cv 限定或更高的 cv 限定。这空指针值转换为空指针值目的地类型。如果原来的指针值代表地址内存中一个字节的A和A满足T的对齐要求，然后得到的指针值表示与原始指针值，即 A。任何其他此类的结果未指定指针转换。

我正在使用的平台具有 16 位或 32 位的近端和远端指针。在这种情况下，shared_ptr<A> 和 shared_ptr<B> 类型的大小和对齐方式不同，然后将一个转换为另一个是未指定的行为。如果对齐匹配，则定义静态转换的结果。

但是，关于 reinterpret_cast 引用的第一个子句也包含一个注释

[ Note: That is, for lvalues, a reference
cast reinterpret_cast<T&>(x) has the same effect as the conversion *reinterpret_cast<T*>(&x) with
the built-in & and * operators (and similarly for reinterpret_cast<T&&>(x)). —end note ]

所以基本上，转换在语义上与立即取消引用的指针转换相同。即使指针大小相同（并且对齐方式兼容），使用强制转换的指针也会违反严格的别名规则，因为取消引用是一种访问。

如果程序试图访问对象的存储值通过不是其中一个的glvalue 以下类型的行为未定义：53 — 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（如 4.4 中定义）的类型， — 与对象的动态类型相对应的有符号或无符号类型， — 有符号或无符号类型，对应于动态类型的 cv 限定版本对象的， — 在其元素中包含上述类型之一或非静态的聚合或联合类型数据成员（递归地包括子聚合的元素或非静态数据成员）或包含联合），

【讨论】：

什么是“对象的动态类型”？
@curiousguy 静态类型是在编译时推断的表达式的类型，例如声明的变量类型。动态类型是实际对象的类型，即A* a = new B()类型的指针指向静态类型A但动态类型B的对象。
实际的对象，而不是什么，想象的对象？ a 真正指向什么？ B 对象如何具有静态类型 A？
@curiousguy 不确定您在问什么以及您想象对象的位置。静态和动态类型是可以轻松搜索的标准术语。我再试一次。假设您有一个class A {public: virtual void foo() {} } 和一个class B: public A {}。没有想象一个函数void bar(A* a) {a->foo();}。在编译时，您现在才知道a 指向的任何内容都是A 类型。但是，您可以调用bar(new B()) 并且a 指向的对象的实际类型是B，以及B 中的实现将被调用。这是动态类型，运行时被引用对象的类型。
@curiousguy 我没有想象任何物体，不确定我的评论中的位置。我有一种感觉你在取笑，所以请更具体地说明静态类型在哪里是无意义的（也许在一个新问题中？）。您能否详细说明有关指向基数的指针的问题？ A* 类型的指针a 指向给定地址处的一个对象，该对象的类型为B。这就是重点。 oibject 看起来像是A 类型，即您只能使用A 的接口。这是静态类型。但它实际上是B类型，所以动态类型是B，方法解析为B。

【解决方案4】：

使用 shared_ptr 或任何其他标准类或模板的功能，仅在为您传递给函数的类型的类调用函数（包括成员函数）时定义（包括隐式 this论点）：

标准中没有任何内容定义了当您调用一个期望 Foo 并传递 Bar 的标准函数时会发生什么，对于任何两种标准类型 Foo 和 Bar（甚至对于用户类型。）

这是没有定义的；这是未定义的。不满足最基本的前提条件：使用正确类型的参数。

【讨论】：