从成员指针转换为整个结构/类答案

【问题标题】：Casting from member pointer to whole struct/class从成员指针转换为整个结构/类
【发布时间】：2020-02-21 18:20:20
【问题描述】：

考虑以下代码：

#include <iostream>


struct bar {
  double a = 1.0;
  int b = 2;
  float c = 3.0;
};

void callbackFunction(int* i) {

  auto myStruct = reinterpret_cast<bar*>(i) - offsetof(bar, b);

  std::cout << myStruct->a << std::endl;
  std::cout << myStruct->b << std::endl;
  std::cout << myStruct->c << std::endl;

  //do stuff
}

int main() {

  bar foo;

  callbackFunction(&foo.b);

  return 0;
}

我必须定义一个回调函数，并且我想在该函数中使用一些附加信息。我定义了自己的结构并将成员的地址传递给函数。在函数中，我想通过强制转换“检索”整个结构，但指针似乎不匹配，我得到错误的结果。我想我在投射时做错了什么，但我不确定是什么？

【问题讨论】：

标签： c++ function struct casting callback

【解决方案1】：

您缺少一个演员来完成这项工作。您需要在减去偏移量之前转换为字节类型，然后重新转换回bar*。原因是宏offsetof 将偏移量作为字节数返回。当您进行指针算术时，减法和加法根据指向类型的大小工作。举个例子吧：

假设您有一个名为b 的bar 实例，地址为0x100h。假设sizeof(double) == 8、sizeof(int) == 4 和sizeof(float) == 4，那么sizeof(bar) == 16 和你的结构和它的成员在内存中看起来像这样：

b @ 0x100h
b.a @ 0x100h
b.b @ 0x108h
b.c @ 0x10Ch

offsetof(bar,b) 将等于 8。您的原始代码说“将 0x108h 视为指向 bar 类型的结构。然后给我地址0x108h - 8 * sizeof(bar) 的bar 结构，或者具体来说：0x108h - 0x80h = 88h。希望该示例演示了为什么原始代码执行了错误的计算。

这就是为什么你需要告诉编译器你想将地址减去字节，以获得结构中第一个成员的正确地址。

解决方案如下所示：

bar* owner = reinterpret_cast<bar*>(reinterpret_cast<char *>(i) - offsetof(bar, b));

您应该非常小心的一件事：只有当bar 是标准布局时，这才是合法的。您可以使用模板std::is_standard_layout<bar>::value 进行静态断言，以验证您没有意外调用UB。

【讨论】：

感谢您的详尽解释。
我想我仍然需要阅读指针算法 :D 但现在我明白了这个问题。
直观的思考方式（对我而言）是指针算法在常见情况下是正确的：如果你有一个int* a，那么a + 1 会给你下一个 int记忆，在第一个“结束”之后，可以这么说。如果你有一个double* a，那么a + 1 会给你下一个内存中的双倍。如果你有一个HugeStruct1KB* hugeStruct，hugeStruct +1 会给你下一个这样的结构——它的偏移量与简单整数的偏移量在直觉上是不同的。

【解决方案2】：

问题在于，对于reinterpret_cast<bar*>(i)，您基本上将i 视为指向bar 结构数组的第一个元素的指针。

这是有问题的，因为对于任何指针（或数组）p 和索引i，表达式*(p + i) 完全等于p[i]。

所以整个表达式reinterpret_cast<bar*>(i) - offsetof(bar, b)与&(reinterpret_cast<bar*>(i))[-offsetof(bar, b)]基本相似。也就是说，您会在此“数组”中获得指向元素 -offsetof(bar, b) 的指针。这当然不是一个正确的索引。

如果你有一个 bytes 的“数组”而不是 bar 结构的“数组”，它会起作用：

char* tempPtr = reinterpret_cast<char*>(i) - offsetof(bar, b);
bar* myStructPtr = reinterpret_cast<bar*>(tempPtr);

【讨论】：

【解决方案3】：

您将指针向后移动太多，b 的偏移量是 sizeof(double)，所以可能是 8，但表达式 reinterpret_cast<bar*>(i) - offsetof(bar, b) 将它移动了 sizeof(bar) * sizeof(double)。

虽然将struct/class 投射到它的第一个成员在技术上是合法的，但你永远不需要这样做，它很容易导致UB。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果你只是切换 int 和 double 成员，使 int 成员是第一个，那么，因为你的类是标准布局，你可以简单地将 reinterpret_cast 到 struct 和正常访问其他成员，因为第一个非静态数据成员和类对象将是pointer-interconvertible：

struct bar {  // Must be standard-layout!
  int b = 2;  // Must be first non-static data member!
  double a = 1.0;
  float c = 3.0;
};

void callbackFunction(int* i) {

  auto myStruct = reinterpret_cast<bar*>(i);

  std::cout << myStruct->a << std::endl;
  std::cout << myStruct->b << std::endl;
  std::cout << myStruct->c << std::endl;

  //do stuff
}


int main() {

  bar foo;

  callbackFunction(&foo.b);

  return 0;
}

【讨论】：