C++ 中的容器协方差

Question

我知道 C++ 不支持容器元素的协方差，就像在 Java 或 C# 中一样。所以下面的代码可能是未定义的行为：

#include <vector>
struct A {};
struct B : A {};
std::vector<B*> test;
std::vector<A*>* foo = reinterpret_cast<std::vector<A*>*>(&test);

毫不奇怪，当我建议这是another question 的解决方案时，我收到了反对票。

但是 C++ 标准的哪一部分确切地告诉我这将导致未定义的行为？保证std::vector<A*> 和std::vector<B*> 都将它们的指针存储在一个连续的内存块中。还保证sizeof(A*) == sizeof(B*)。最后，A* a = new B 是完全合法的。

那么，我想到了标准中的哪些不良情绪（风格除外）？

Answer 1

此处违反的规则记录在 C++03 3.10/15 [basic.lval] 中，它指定了非正式地称为“严格别名规则”的内容

如果程序尝试通过以下类型之一以外的左值访问对象的存储值，则行为未定义：

• 对象的动态类型，

• 对象的动态类型的 cv 限定版本，

• 对象的动态类型对应的有符号或无符号类型，

• 对应于对象动态类型的 cv 限定版本的有符号或无符号类型，

• 在其成员中包含上述类型之一的聚合或联合类型（递归地包括子聚合或包含联合的成员），

• 一种类型，它是对象的动态类型的（可能是 cv 限定的）基类类型，

• char 或 unsigned char 类型。

简而言之，给定一个对象，您只能通过具有列表中一种类型的表达式访问该对象。对于没有基类的类类型对象，例如std::vector<T>，基本上您只能使用第一个、第二个和最后一个项目符号中命名的类型。

std::vector<Base*> 和std::vector<Derived*> 是完全不相关的类型，您不能像使用std::vector<Derived*> 一样使用std::vector<Base*> 类型的对象。如果您违反此规则，编译器可能会做各种事情，包括：

• 对一个比另一个执行不同的优化，或者

• 以不同的方式布置内部成员，或

• 假设std::vector<Base*>* 永远不能与std::vector<Derived*>* 引用相同的对象，则执行优化

• 使用运行时检查来确保您没有违反严格的别名规则

[它也可能不做这些事情并且它可能“工作”，但不能保证它会“工作”，如果你改变编译器或编译器版本或编译设置，它可能会停止“工作”。我在这里使用恐吓引号是有原因的。 :-)]

即使您只有一个 Base*[N]，您也不能像使用 Derived*[N] 一样使用该数组（尽管在这种情况下，使用可能会更安全，其中“更安全”意味着“仍然未定义但不太可能给你惹麻烦）。

Answer 2

容器中协方差的一般问题如下：

假设你的演员表可以工作并且是合法的（它不是但让我们假设它适用于以下示例）：

#include <vector>
struct A {};
struct B : A { public: int Method(int x, int z); };
struct C : A { public: bool Method(char y); };
std::vector<B*> test;
std::vector<A*>* foo = reinterpret_cast<std::vector<A*>*>(&test);
foo->push_back(new C);
test[0]->Method(7, 99); // What should happen here???

所以您还重新解释了将 C* 转换为 B*...

实际上我不知道 .NET 和 Java 是如何管理这个的（我认为它们在尝试插入 C 时会抛出异常）。

Answer 3

你在唤起 reinterpret_cast 的坏精神。

除非你真的知道你在做什么（我的意思是不骄傲也不迂腐）reinterpret_cast 是邪恶之门之一。

我知道的唯一安全用途是管理 C++ 和 C 函数调用之间的类和结构。 不过可能还有其他一些。

Answer 4

我认为展示比讲述更容易：

struct A { int a; };

struct Stranger { int a; };

struct B: Stranger, A {};

int main(int argc, char* argv[])
{
  B someObject;
  B* b = &someObject;

  A* correct = b;
  A* incorrect = reinterpret_cast<A*>(b);

  assert(correct != incorrect); // troubling, isn't it ?

  return 0;
}

此处显示的（特定）问题是，在进行“正确”转换时，编译器会根据对象的内存布局添加一些指针调整。在reinterpret_cast 上，不执行任何调整。

我想你会明白为什么应该通常在代码中禁止使用reinterpet_cast...