为什么即使使用 constexpr 索引，编译器也允许越界数组访问？

Question

例如，如果我们有一个 std::array 并且我们使用 constexpr 实例化一个超出范围的元素，则编译器不会报告错误：

constexpr int EvaluateSpecialArrayIndex(int a)
{ return a * sizeof(int); }

array<int, 5> arr;

cout << arr[98] << endl; //compiles fine

cout << arr[EvaluateSpecialArrayIndex(4)] << endl; //the same as above

我们不能以某种方式限制它吗？

Answer 1

为确保constexpr 函数在编译时被评估，您必须通过将结果设为constexpr 来强制它们。例如：

#include <array>

int
main()
{
    constexpr std::array<int, 5> arr{1, 2, 3, 4, 5};
    int i = arr[6];  // run time error
}

但是：

#include <array>

int
main()
{
    constexpr std::array<int, 5> arr{1, 2, 3, 4, 5};
    constexpr int i = arr[6];  // compile time error
}

不幸的是，要使其真正起作用，std::array 必须符合 C++14 规范，而不是 C++11 规范。由于 C++11 规范没有将 std::array::operator[] 的 const 重载标记为 constexpr。

所以在 C++11 中你运气不好。在 C++14 中，您可以使其工作，但前提是 array 和调用索引运算符的结果都声明为 constexpr。

澄清

数组索引的 C++11 规范如下：

                reference operator[](size_type n);
          const_reference operator[](size_type n) const;

而数组索引的 C++14 规范如下：

                reference operator[](size_type n);
constexpr const_reference operator[](size_type n) const;

即constexpr 已添加到 C++14 的 const 重载中。

更新

C++17 的数组索引规范如下：

constexpr       reference operator[](size_type n);
constexpr const_reference operator[](size_type n) const;

循环现在完成。 Universe 可以在编译时计算。 ;-)

Answer 2

如果您在编译时知道数组索引，则可以将std::get 与索引一起使用，如果超出范围，将导致编译失败

std::array<int, 4> a{{1,2,3,4}};
std::get<4>(a); // out of bounds, fails to compile

我从 gcc-4.9 得到的错误以：

结尾

error: static assertion failed: index is out of bounds
       static_assert(_Int < _Nm, "index is out of bounds");

std::get 仅适用于常量表达式索引（索引是模板参数），因此使用std::array 它始终可以在编译时检测到越界。

Answer 3

std::array 上的数组访问与常规 C 数组相同，它从不检查索引是否有效，如果超出范围，它只会调用 UB。如果您需要限制，请使用std::array::at()，它会为超出数组边界的值引发std::out_of_range() 异常。

arr.at(EvaluateSpecialArrayIndex(4)); // terminate called after throwing
                                      // an instance of 'std::out_of_range'

如果您想要编译时错误，请使用 std::get:

std::get<EvaluateSpecialArrayIndex(4)>(arr); // error: static_assert failed
                                             // "index is out of bounds"

Answer 4

简单的答案，因为 std::array 有单独的 constexpr 重载来检查这类事情会非常昂贵。如果您愿意，您可以围绕std::array 编写自己的包装器，它为编译时常量提供了经过编译检查的访问。比如：

template<typename T, size_t S>
class safeArray
{
    std::array<T, S> m_arr;
    public:
    template<size_t A>
    T& safeAt() { 
        static_assert(A < S, "Index out of bounds");
        return m_arr[A]; 
    }
    // other funcs as needed
};

然后，您可以执行以下操作：

safeArray<int, 5> arr;
cout << arr.safeAt<98>() << endl; // compile error

但是，这可以生成很多函数。大多数情况下，如果您的设计是合理的，那么您将永远不需要这种类型的检查。