在不同的限定结构成员上使用 reinterpret_cast 是否安全？

Question

_{我查看了以下相关的问题，但似乎都没有解决我的确切问题：one、two、three。}

我正在编写一个集合，其中存储了元素（键值对）以及一些簿记信息：

struct Element {
    Key key;
    Value value;
    int flags;
};

std::vector<Element> elements;

（为简单起见，假设Key 和Value 都是标准布局类型。无论如何，该集合不会与任何其他类型一起使用。）

为了支持基于迭代器的访问，我编写了覆盖operator-> 和operator* 的迭代器，分别向用户返回指向键值对的指针和引用。但是，由于集合的性质，永远不允许用户更改返回的密钥。为此，我声明了一个KeyValuePair 结构：

struct KeyValuePair {
    const Key key;
    Value value;
};

我已经在迭代器上实现了operator->，如下所示：

struct iterator {
    size_t index;

    KeyValuePair *operator->() {
        return reinterpret_cast<KeyValuePair *>(&elements[index]);
    }
};

我的问题是：reinterpret_cast 的这种使用是明确定义的，还是会调用未定义的行为？我试图解释标准的相关部分并检查了有关类似问题的问题的答案，但是，我未能从中得出明确的结论，因为……：

• 这两种结构类型共享一些初始数据成员（即key 和value），它们的区别仅在于const-qualification；
• 标准没有明确说明T 和cv T 是布局兼容的，但也没有说明相反的情况；此外，它还要求它们具有相同的代表性和一致性要求；
• 如果第一个但许多成员具有布局兼容类型，则两个标准布局类类型共享一个共同的初始序列；
• 对于包含共享公共初始序列的类类型成员的联合类型，允许使用任一联合成员​​ (9.2p18) 检查此类初始序列的成员。 – 没有类似的明确保证reinterpret_casted 指向结构的指针共享一个共同的初始序列。 – 但是，可以保证指向结构的指针指向其初始成员 (9.2p19)。

仅使用这些信息，我发现无法推断出 Element 和 KeyValuePair 结构是否共享一个共同的初始序列，或者有任何其他共同点可以证明我的 reinterpret_cast 是合理的。

顺便说一句，如果您认为将reinterpret_cast 用于此目的是不合适的，并且我确实面临 XY 问题，因此我应该简单地做些其他事情来实现我的目标，请告诉我。

Answer 1

我的问题是：这种对 reinterpret_cast 的使用是否定义明确？ 它调用未定义的行为？

reinterpret_cast 在这里是错误的方法，您只是违反了严格的别名。 reinterpret_cast 和 union 在这里的分歧有点令人困惑，但这种情况的措辞非常明确。

您最好这样简单地定义一个联合：

union elem_t {
   Element e{}; KeyValuePair p;
   /* special member functions defined if necessary */
};

... 并将其用作矢量元素类型。请注意，在确定布局兼容性时忽略 cv-qualification - [basic.types]/11：

两种类型 cv1 T1 和 cv2 T2 是布局兼容类型，如果 T1 和 T2 是同一类型，[…]

因此Element 和KeyValuePair 确实共享一个共同的初始序列，并且如果e 是活动的，访问p 的相应成员是明确定义的。

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另一种方法：定义

struct KeyValuePair {
    Key key;
    mutable Value value;
};

struct Element : KeyValuePair {
    int flags;
};

现在提供一个迭代器，它简单地将向量中的const_iterator 包装起来，并向上转换要公开的引用/指针。 key 不可修改，但 value 可以。