C++ 中的这种未定义行为是否从悬空指针调用函数

Question

当指针悬空时，这里出现了一个问题，询问“为什么这有效”。答案是它是 UB，这意味着它可能有效，也可能无效。

我在一个教程中了解到：

#include <iostream>

struct Foo
{
    int member;
    void function() { std::cout << "hello";}

};

int main()
{
    Foo* fooObj = nullptr;
    fooObj->member = 5; // This will cause a read access violation but...
    fooObj->function(); // Because this doesn't refer to any memory specific to
                        // the Foo object, and doesn't touch any of its members
                        // It will work.
}

这是否相当于：

static void function(Foo* fooObj) // Foo* essentially being the "this" pointer
{
    std::cout << "Hello";
    // Foo pointer, even though dangling or null, isn't touched. And so should 
    // run fine.
}

我错了吗？即使正如我解释的那样只是调用一个函数而不访问无效的 Foo 指针，它是 UB 吗？

Answer 1

您正在推理实践中发生的事情。允许未定义的行为做你期望的事情......但不能保证。

对于非静态情况，使用[class.mfct.non-static] 中的规则很容易证明：

如果为非 X 类型或从 X 派生的类型的对象调用类 X 的非静态成员函数，则行为未定义。强>

注意这里没有考虑非静态成员函数是否访问*this。该对象只需要具有正确的动态类型，*(Foo*)nullptr 肯定没有。

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特别是，即使在使用您描述的实现的平台上，调用

fooObj->func();

转换成

__assume(fooObj); Foo_func(fooObj);

并且优化不稳定。

这是一个与您的期望相反的示例：

int main()
{
    Foo* fooObj = nullptr;
    fooObj->func();
    if (fooObj) {
        fooObj->member = 5; // This will cause a read access violation!
    }
}

在实际系统上，这可能会导致注释行出现访问冲突，因为编译器使用了 fooObj 不能 在 fooObj->func() 中为 null 的事实来消除紧随其后的if 测试。

即使您认为自己知道自己的平台在做什么，也不要做 UB 的事情。 Optimization instability is real.

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此外，标准的限制比您想象的还要严格。这也会导致 UB：

struct Foo
{
    int member;
    void func() { std::cout << "hello";}
    static void s_func() { std::cout << "greetings";}
};

int main()
{
    Foo* fooObj = nullptr;
    fooObj->s_func(); // well-formed call to static member,
         // but unlike Foo::s_func(), it requires *fooObj to be a valid object of type Foo
}

标准的相关部分在[expr.ref]:

表达式E1->E2被转换为等价形式(*(E1)).E2

以及随附的脚注

如果类成员访问表达式被求值，子表达式求值即使结果对于确定整个后缀表达式的值是不必要的，例如如果 id-expression 表示静态成员.

这意味着有问题的代码肯定会评估(*fooObj)，试图创建对不存在对象的引用。有几个建议允许并且只禁止允许在这样的引用上进行左值->右值转换，但到目前为止这些都被拒绝了；迄今为止，在标准的所有版本中，即使形成引用也是非法的。

Answer 2

实际上，这通常是主要编译器实现成员函数的方式，是的。这意味着您的测试程序可能看起来“运行良好”。

话虽如此，取消引用指向nullptr 的指针是未定义的行为，这意味着所有赌注都已关闭，整个程序及其输出毫无意义，任何事情都可能发生。

您永远不能依赖这种行为，特别是优化器可能会弄乱所有这些代码，因为他们被允许假设 fooObj 永远不是 nullptr。

Answer 3

编译器没有义务通过传递一个指向类实例的指针来实现成员函数。是的，有伪指针“this”，但它是不相关的元素，保证被“理解”。

nullptr 指针不指向任何现有对象，并且 -> () 调用该对象的成员。从标准的角度来看，这是无稽之谈，这种操作的结果是不确定的（并且可能是灾难性的）。

如果function() 是虚拟的，则允许调用失败，因为函数的地址将不可用（vtable 可能作为对象的一部分实现，如果对象不存在则不存在）。

如果成员函数（方法）具有这样的行为并且意味着要这样调用，则它应该是静态成员函数（方法）。静态方法不访问非静态字段，也不调用类的非静态方法。如果它是静态的，调用也可能如下所示：

Foo::function();