在没有未定义行为的情况下实现类似 std::vector 的容器

Question

这可能会让一些编码人员感到惊讶，而且，如果没有编译器的非标准支持，就不可能实现std::vector。问题本质上在于对原始存储区域执行指针运算的能力。出现在@ShafikYaghmour 答案中的论文p0593: Implicit creation of objects for low-level object manipulation 清楚地揭示了存在的问题并建议修改标准，以便更容易实现容器等向量和其他法律级别的编程技术。

尽管如此，我想知道是否没有解决方法来实现与 std::vector 等效的类型，仅使用该语言提供的内容而不使用任何标准库。

目标是在原始存储区域中一个一个地构造向量元素，并能够使用迭代器访问这些元素。这相当于 std::vector 上的 push_back 序列。

为了了解这个问题，下面对在 libc++ 或 libstdc++ 中对 std::vector 的实现执行的操作进行简化：

void access_value(std::string x);

std::string s1, s2, s3;
//allocation
auto p=static_cast<std::string*>(::operator new(10*sizeof(std::string)));

//push_back s1
new(p) std::string(s1);
access_value(*p);//undefined behavior, p is not a pointer to object

//push_back s2
new(p+1) std::string(s2);//undefined behavior
        //, pointer arithmetic but no array (neither implicit array of size 1)
access_value(*(p+1));//undefined behavior, p+1 is not a pointer to object

//push_back s2
new(p+2) std::string(s3);//undefined behavior
        //, pointer arithmetic but no array
access_value(*(p+2));//undefined behavior, p+2 is not a pointer to object

我的想法是使用一个从不初始化其成员的联合。

//almost trivialy default constructible
template<class T>
union atdc{
  char _c;
  T value;
  atdc ()noexcept{ }
  ~atdc(){}
};

原始存储将使用此联合类型的数组进行初始化，并且始终在此数组上执行指针运算。然后在每个 push_back 的联合的非活动成员上构造元素。

std::string s1, s2, s3;
auto p=::operator new(10*sizeof(std::string));
auto arr = new(p) atdc<std::string>[10];
//pointer arithmetic on arr is allowed

//push_back s1
new(&arr[0].value) std::string(s1); //union member activation
access_value(arr[0].value);

//push_back s2
new(&arr[1].value) std::string(s2);
access_value(arr[1].value);

//push_back s2
new(&arr[2].value) std::string(s2);
access_value(arr[2].value);

上面这段代码中是否有任何未定义的行为？

Answer 1

这是正在积极讨论的话题，我们可以在提案p0593: Implicit creation of objects for low-level object manipulation 中看到这一点。这是对这些问题的非常扎实的讨论，以及为什么如果不进行更改就无法修复它们。如果您对正在考虑的方法有不同的方法或强烈的看法，您可能需要与提案作者联系。

它包括这个讨论：

2.3。动态构造数组

考虑这个试图实现像 std::vector 这样的类型的程序（为简洁起见省略了许多细节）：

....

实际上，此代码适用于一系列现有的 实现，但根据 C++ 对象模型，未定义 行为发生在点 #a、#b、#c、#d 和 #e，因为它们试图 在分配的存储区域上执行指针运算 不包含数组对象。

在 #b、#c 和 #d 位置，对 char* 执行算术运算， 在#a、#e 和#f 位置，对T* 执行算术运算。 理想情况下，该问题的解决方案将在两个计算中都包含 定义的行为。

1. 接近

上面的 sn-ps 有一个共同的主题：他们试图使用他们从未创建过的对象。实际上，程序员认为他们不需要显式创建对象的一系列类型。我们建议识别这些类型，并仔细制定规则，无需显式创建此类对象，而是隐式创建它们。

使用 adc 联合的方法存在一个问题，即我们希望能够通过指针 T* 即通过 std::vector::data 访问包含的数据。以T* 访问联合将违反strict aliasing rules，因此是未定义的行为。