超出 C++ 范围和未定义行为

Question

我知道在 c++ 中，超出缓冲区范围的访问是未定义的行为。
这是来自 cppreference 的示例：

int table[4] = {};
bool exists_in_table(int v)
{
    // return true in one of the first 4 iterations or UB due to out-of-bounds access
    for (int i = 0; i <= 4; i++) {
        if (table[i] == v) return true;
    }
    return false;
}

但是，我在 c++ 标准中找不到相应的段落。
谁能指出我在标准中解释这种情况的具体段落？

Answer 1

这是未定义的行为。我们可以并列几段来说服它。首先，我不会明确证明，table[4] 是*(table + 4)。我们只需要问自己指针值table + 4 的属性以及它与间接运算符的要求有何关系。

在指针上，我们有这样一段话：

[basic.compound]

3每个指针类型的值都是以下之一：

• 指向对象或函数的指针（该指针被称为指向对象或函数），或
• 超过对象末尾的指针 ([expr.add])，或
• 该类型的空指针值，或
• 一个无效的指针值。

我们的指针属于第二个子弹的类型，而不是第一个。至于间接运算符：

[expr.unary.op]

1 一元 * 运算符执行间接：应用它的表达式应该是一个指向对象类型的指针，或者是一个指向函数类型的指针，并且结果是一个左值，指向要指向的对象或函数表达点。如果表达式的类型是“指向T的指针”，则结果的类型是“T”。

我希望通过阅读这一段很明显，该操作是为上一段中第一个项目符号所描述的类别的指针定义的。

因此，我们将操作应用于未定义其行为的指针值。结果是未定义的行为。

Answer 2

下标运算符是通过加法运算符定义的。数组衰减为指向此相同表达式中第一个元素的指针，因此适用指针算术规则。间接运算符用于加法的假设结果。

[expr.sub]

后缀表达式后跟方括号中的表达式是后缀表达式。 其中一个表达式应为“T 数组”类型的左值或“指向 T 的指针”类型的纯右值，另一个应为无范围枚举或整数类型的纯右值。 结果是类型“T”。 类型“T”应该是一个完全定义的对象类型。 表达式E1[E2] 与*((E1)+(E2)) 相同（根据定义），...

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如果数组索引超过最后一个元素，即E2 > std::size(E1)（在示例程序中不是这种情况），则假设的指针算法本身是未定义的。

[expr.add]

当一个整数类型的表达式 J 被添加到一个指针类型的表达式 P 中或从一个表达式 P 中减去时，结果具有 P 的类型。

• 如果 P 的计算结果为空指针值 ... （不适用）
• 否则，如果 P 指向具有 n 个元素 ([dcl.array]) 的数组对象 x 的数组元素 i，则表达式 P + J 和 J + P（其中 J 的值为 j）指向 (如果 0≤i+j≤n，则 x 的可能-假设的）数组元素 i+j，如果 0≤i-j≤n，则表达式 P - J 指向 x 的（可能-假设的）数组元素 i-j。 （当 i-j > n 时不适用）
• 否则，行为未定义。

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在E2 == std::size(E1) 的情况下（在示例的最后一次迭代中就是这种情况），加法的假设结果是一个指向数组后面的指针并指向数组存储之外的指针。假设的指针算术定义良好。

[basic.compound]

一个指针类型的值是一个指针...超过一个对象的末尾表示...内存中的第一个字节存储结束后对象占用 p>

访问是根据对象定义的。但是那里没有对象，甚至没有存储，因此没有对行为的定义。

好的，在某些情况下可能指向的内存地址中有一个不相关的对象。下面的注释说，结束后的指针不是指向共享地址的此类不相关对象的指针。我找不到导致这种情况的规范规则。

[注 2：超过对象末尾的指针 ([expr.add]) 不被视为指向该对象类型的不相关对象，即使不相关对象位于该地址。 ...

另外，我们可以看看间接运算符的定义：

[expr.unary.op]

一元 * 运算符执行间接：应用它的表达式应该是一个指向对象类型的指针……结果是一个左值，指向表达式所指向的对象……。 ...

存在矛盾，因为没有可以引用的对象。

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所以，总结：

int table[N] = {};
table[N] == 0; // UB, accessing non-existing object
table[N + 1];  // UB, [expr.add]
table + N;     // OK, one past last element
table[N];      // ¯\_(ツ)_/¯ See CWG 232