将指向结构的指针转换为指向该结构唯一成员的指针

Question

考虑以下程序：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <vector>

struct foo {
    foo(int value)
    : value_(value)
    {
        // perform range checks
    }

    int value() const {
        return value_;
    }

private:
    int value_;
};

int main() {
    std::vector<foo> values{0, 1, 2, 3, 4, 5};

    std::for_each(std::begin(values), std::end(values), 
                  [](foo& f){ std::cout << f.value(); });

    std::cout << std::endl;

    std::for_each(reinterpret_cast<const int*>(values.data()),
                  reinterpret_cast<const int*>(values.data()) + values.size(),
                  [](int i){ std::cout << i; });
}

使用 Apple LLVM 6.0 版 (clang-600.0.54)（基于 LLVM 3.5svn）编译后，它会产生以下输出（这正是我想要的）：

012345
012345

第一次迭代很简单。然而，第二次迭代不是通过迭代器执行的，而是通过指向已转换为const int* 的底层存储的指针。

我的问题是：该代码合法吗？

我的直觉是。根据 C++11 标准的§5.2.10/7（最终工作草案）：

当“指向T1”的指针类型的纯右值v被转换为类型 “指向cvT2的指针”，如果T1和T2都是static_cast<cvT2*>(static_cast<cvvoid*>(v)) 标准布局类型 (3.9) 和 T2 的对齐要求是 不比T1更严格

如果我解释正确，那么上面的代码应该是正确的，对吧？如果没有，可以让它工作吗？

Answer 1

（在我的回答中，我使用 C++14 标准草案（N4140），在相关引用方面与 C++11 有点不同）

reinterpret_cast<const int*>(values.data()) 很好，因为[class.mem]/19：

如果标准布局类对象有任何非静态数据成员，则其地址与其第一个非静态数据成员的地址相同。 (...) [注意：因此，标准布局结构对象中可能存在未命名的填充，但不是在其开头，这是实现适当对齐所必需的。 ——尾注]

关于取消引用，[expr.reinterpret.cast]/7:

对象指针可以显式转换为不同类型的对象指针。当对象指针类型的prvalue v转换为对象指针类型“pointer to cv T”时，结果为static_cast<cv T*>(static_cast<cv void*>(v))。

第一个static_cast被[conv.ptr]/2覆盖：

类型“pointer to cv T”的纯右值，其中T是对象类型，可以转换为“pointer”类型的纯右值 简历void”。将指向对象类型的指针的非空指针值转换为“指向对象的指针”的结果 cvvoid”表示与原始指针值相同字节在内存中的地址。

第二个static_cast - [expr.static.cast]/13：

“指向 cv1 void 的指针”类型的纯右值可以转换为“指向 cv2 T 的指针”类型的纯右值，(...) 如果原始指针值表示内存中一个字节的地址 A 并且 A 满足T的对齐要求，那么得到的指针值代表的地址与原来的指针值相同，即A。

[class.mem]/19 满足对齐要求，因此演员表工作正常。

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但问题是除了上述对std::complex 的要求外，似乎无法保证sizeof(foo) == sizeof(int)。可以将[class.mem]/19 中关于未命名填充的注释解释为仅在需要对齐时才允许填充，因此在您的情况下不能有任何填充，但我认为该注释在这方面过于模糊。

你能做的就是把你的代码放进去

static_assert(sizeof(foo) == sizeof(int), "");
// this may be paranoic but won't hurt
static_assert(alignof(foo) == alignof(int), "");

因此，如果违反要求，至少您的代码将无法编译。

Answer 2

没错。在此处满足的某些条件下，可以将指向结构的指针转换为指向其第一个成员的指针。这是 C 的遗留物，因为这就是当时完全非继承的实现方式。

这是在 C++11 §9.2/20 [class.mem] 中指定的：

一个指向标准布局结构对象的指针，使用适当的转换 reinterpret_cast，指向它的初始成员（或者如果该成员是 一个位域，然后到它所在的单元），反之亦然。 [ 注意：因此在一个 标准布局结构对象，但不是在其开头，根据需要 以达到适当的对齐。 — 尾注 ]