为什么允许将指针转换为引用？

Question

最初是this question 的主题，后来发现 OP 只是忽略了取消引用。同时，this answer 让我和其他一些人开始思考 - 为什么允许使用 C 样式转换或reinterpret_cast 将指针转换为指向引用？

int main() {
    char  c  = 'A';
    char* pc = &c;

    char& c1 = (char&)pc;
    char& c2 = reinterpret_cast<char&>(pc);
}

上面的代码在 Visual Studio 上编译时没有任何警告或错误（关于演员表），而 GCC 只会给你一个警告，如 here 所示。

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我的第一个想法是指针以某种方式自动被取消引用（我通常使用 MSVC，所以我没有收到 GCC 显示的警告），并尝试了以下操作：

#include <iostream>

int main() {
    char  c  = 'A';
    char* pc = &c;

    char& c1 = (char&)pc;
    std::cout << *pc << "\n";

    c1 = 'B';
    std::cout << *pc << "\n";
}

here 显示了非常有趣的输出。因此，您似乎正在访问指向的变量，但与此同时，您却没有。

想法？解释？标准引号？

Answer 1

嗯，这就是reinterpret_cast 的目的！顾名思义，该转换的目的是将内存区域重新解释为另一种类型的值。因此，使用reinterpret_cast，您始终可以将一种类型的左值强制转换为另一种类型的引用。

这在语言规范的 5.2.10/10 中有所描述。它还说reinterpret_cast<T&>(x) 与*reinterpret_cast<T*>(&x) 相同。

在这种情况下，您正在投射 指针 的事实完全不重要。不，指针不会自动取消引用（考虑到*reinterpret_cast<T*>(&x) 的解释，人们甚至可能会说相反的情况：自动获取该指针的地址）。在这种情况下，指针只是“占用内存中某个区域的某个变量”。该变量的类型没有任何区别。它可以是double、指针、int 或任何其他左值。该变量被简单地视为您重新解释为另一种类型的内存区域。

至于 C 风格的转换 - 在这种情况下它只是被解释为 reinterpret_cast，所以上面的内容立即适用于它。

在第二个示例中，您将引用 c 附加到指针变量 pc 占用的内存。当您执行c = 'B' 时，您将值'B' 强制写入该内存，从而完全破坏了原始指针值（通过覆盖该值的一个字节）。现在被破坏的指针指向一些不可预测的位置。后来你试图取消引用那个被破坏的指针。在这种情况下会发生什么纯属运气问题。程序可能会崩溃，因为指针通常是不可延迟的。或者你可能会很幸运，让你的指针指向一些不可预测但有效的位置。在那种情况下，你的程序会输出一些东西。没有人知道它会输出什么，也没有任何意义。

可以将您的第二个程序重写为等效程序而无需引用

int main(){
    char* pc = new char('A');
    char* c = (char *) &pc;
    std::cout << *pc << "\n";
    *c = 'B';
    std::cout << *pc << "\n";
}

从实际的角度来看，在 little-endian 平台上，您的代码会覆盖指针的最低有效字节。这样的修改不会使指针指向离它原来的位置太远。因此，代码更有可能打印一些东西而不是崩溃。在 big-endian 平台上，您的代码会破坏指针的最高有效字节，从而将其疯狂地抛出以指向完全不同的位置，从而使您的程序更容易崩溃。

Answer 2

我花了一段时间去摸索它，但我想我终于明白了。

C++ 标准指定转换 reinterpret_cast<U&>(t) 等效于 *reinterpret_cast<U*>(&t)。

在我们的例子中，U 是 char，t 是 char*。

展开这些，我们看到发生了以下情况：

• 我们将参数的地址传递给强制转换，产生一个char** 类型的值。
• 我们把reinterpret_cast这个值改为char*
• 我们取消引用结果，产生一个char 左值。

reinterpret_cast 允许您从任何指针类型转换为任何其他指针类型。因此，从 char** 到 char* 的演员表是格式良好的。

Answer 3

我将尝试使用我对引用和指针的根深蒂固的直觉来解释这一点，而不是依赖标准的语言。

• C 没有引用类型，它只有值和指针，
  因为，物理上在内存中，我们只有值和指针。
• 在 C++ 中，我们添加了对语法的引用，但您可以将它们视为一种语法糖 - 没有用于保存引用的特殊数据结构或内存布局方案。

那么，从这个角度看，什么是“参考”？或者更确切地说，您将如何“实施”参考？当然，用指针。因此，每当您在某些代码中看到引用时，您可以假装它实际上只是一个以特殊方式使用的指针：如果 int x; 和 int& y{x}; 那么我们真的有一个 int* y_ptr = &x；如果我们说y = 123;，我们只是指*(y_ptr) = 123;。这与我们使用 C 数组下标 (a[1] = 2;) 时的方式没有什么不同，实际发生的是 a 被“衰减”为指向其第一个元素的指针，然后执行的是 *(a + 1) = 2。

（旁注：编译器实际上并不总是在每个引用后面保存指针；例如，编译器可能会为引用的变量使用寄存器，然后指针不能指向对它。但这个比喻仍然很安全。）

已经接受了“引用实际上只是伪装的指针”的比喻，现在我们可以用reinterpret_cast<>() 忽略这种伪装也就不足为奇了。

_{PS - std::ref 也只是你深入研究时的指针。}

Answer 4

它是允许的，因为 C++ 在你转换时几乎允许任何东西。

但至于行为：

• pc是一个4字节的指针
• (char)pc 尝试将指针解释为一个字节，尤其是四个字节中的最后一个字节
• (char&)pc 相同，但返回对该字节的引用
• 当您第一次打印 pc 时，什么都没有发生，您看到了您存储的字母
• c = 'B' 修改了 4 字节指针的最后一个字节，所以它现在指向别的东西
• 当您再次打印时，您现在指向的另一个位置可以解释您的结果。

由于指针的最后一个字节被修改，新的内存地址就在附近，因此它不太可能在您的程序不允许访问的内存中。这就是为什么你没有遇到段错误。获得的实际值是未定义的，但很可能为零，这解释了当它被解释为字符时的空白输出。

Answer 5

当您进行转换时，使用 C 样式转换或使用 reinterpret_cast，您基本上是在告诉编译器另辟蹊径（“别介意，我知道我在做什么”）。

C++ 允许您告诉编译器这样做。这并不意味着这是一个好主意...