在 C++ 中使用 static_cast 转换指向数组引用的指针是否合法？答案

【问题标题】：Is it legal to cast a pointer to array reference using static_cast in C++?在 C++ 中使用 static_cast 转换指向数组引用的指针是否合法？
【发布时间】：2014-01-23 19:03:32
【问题描述】：

我有一个指针T * pValues，我想将其视为T (&values)[N]

在这个 SO 答案 https://stackoverflow.com/a/2634994/239916 中，建议的做法是

T (&values)[N] = *static_cast<T(*)[N]>(static_cast<void*>(pValues));

我对此的担忧是。在他的示例中，pValues 是通过以下方式初始化的

T theValues[N];
T * pValues = theValues;

我的问题是，如果pValues 来自以下任何构造，则强制转换构造是否合法：

1：

T theValues[N + M]; // M > 0
T * pValues = theValues;

2：

T * pValues = new T[N + M]; // M >= 0

【问题讨论】：

*static_cast<T(*)[N]>(static_cast<void*>(pValues)) 似乎在滥用语言的功能，而不是您真正想要使用的东西，而是一种丑陋的解决方法......
您在 1 和 2 中的内存都是动态的 - 也就是说，指针是指向内存块起点的实际指针，而不是已衰减为指针的数组。好像是UB。

标签： c++ arrays casting type-safety static-cast

【解决方案1】：

简短的回答：你是对的。仅当 pValues 的类型为 T[N] 并且您提到的两种情况（不同大小，动态分配的数组）很可能导致未定义的行为时，强制转换才是安全的。

static_cast 的好处是在编译时进行了一些额外的检查，所以如果你做错了什么，编译器会抱怨它（与丑陋的 C 风格转换相比，它允许你做几乎任何东西），例如：

struct A { int i; };
struct C { double d; };

int main() {
    A a;
    // C* c = (C*) &a; // possible to compile, but leads to undefined behavior
    C* c = static_cast<C*>(&a);
}

会给你：invalid static_cast from type ‘A*’ to type ‘C*’

在这种情况下，您转换为void*，从编译时可以进行的检查的角度来看，这对几乎任何东西都是合法的，反之亦然：void* 也可以转换回几乎任何东西，这首先使用 static_cast 完全没用，因为这些检查变得无用。

对于前面的例子：

C* c = static_cast<C*>(static_cast<void*>(&a));

不比：

C* c = (C*) &a;

并且很可能会导致此指针的错误使用和未定义的行为。

换句话说：

A arr[N];
A (&ref)[N] = *static_cast<A(*)[N]>(&arr);

是安全的，很好。但是一旦你开始滥用static_cast<void*>，就根本无法保证实际会发生什么，因为即使是这样的东西：

C *pC = new C;
A (&ref2)[N] = *static_cast<A(*)[N]>(static_cast<void*>(&pC));

成为可能。

【讨论】：

好的，但这并不能完全回答我的问题，因为您要介绍两种类型（A 和 C），而我问的是有一种类型（非指针非引用）的情况) 类型 T 参与其中。
恕我直言，静态强制转换为 void* 按照标准应该是非法的。
A (&ref)[N] = *static_cast<A(*)[N]>(&arr);：static_cast 没有做任何事情。 &arr 已有该类型。

【解决方案2】：

由于 C++17 至少显示的表达式是不安全的，即使 pValues 是指向数组第一个元素的指针并且数组的类型完全匹配（包括 excat 大小），无论是从变量声明或对new 的调用。（如果不满足这些条件，无论以下情况都是UB。）

数组和它们的第一个元素不是pointer-interconvertible，因此reinterpret_cast（相当于两个static_casts到void*）不能将一个指针值转换为指针值其他的。

因此static_cast<T(*)[N]>(static_cast<void*>(pValues)) 仍将指向数组的第一个元素，而不是数组对象本身。

由于类型/值不匹配，因此引用此指针是未定义的行为。

这可以通过std::launder 进行潜在补救，这可能会更改reinterpret_cast 不能更改的指针值。具体而言，以下可能是明确定义的：

T (&values)[N] = *std::launder(static_cast<T(*)[N]>(static_cast<void*>(pValues)));

或等效

T (&values)[N] = *std::launder(reinterpret_cast<T(*)[N]>(pValues));

但前提是 std::launder 返回的指针不能用于访问无法通过原始 pValues 指针访问的任何字节。如果数组是一个完整的对象，这是满足的，但是例如如果数组是二维数组的子数组，则不满足。

有关确切的可达性条件，请参阅https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/launder。

【讨论】：