Placement-new 与 gcc 4.4.3 严格别名规则

Question

我有一些代码，多年来我一直成功地使用它们来实现“变体类型对象”；也就是说，一个 C++ 对象可以保存各种类型的值，但仅使用（大约）尽可能多的可能类型的内存。该代码在本质上与标记联合相似，只是它也支持非 POD 数据类型。它通过使用字符缓冲区、放置新/删除和reinterpret_cast<>来实现这一魔力。

我最近尝试在 gcc 4.4.3 下编译此代码（使用 -O3 和 -Wall），并收到很多这样的警告：

warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules

从我读到的内容来看，这表明 gcc 的新优化器可能会生成“有缺陷”的代码，我显然想避免这种情况。

我在下面粘贴了代码的“玩具版本”；我可以对我的代码做些什么，使其在 gcc 4.4.3 下更安全，同时仍然支持非 POD 数据类型？我知道，作为最后的手段，我总是可以使用 -fno-strict-aliasing 来编译代码，但如果代码在优化下不会中断，那就太好了，所以我宁愿不这样做。

（请注意，我想避免在代码库中引入 boost 或 C++0X 依赖项，因此虽然 boost/C++0X 解决方案很有趣，但我更喜欢更老式的东西）

#include <new>

class Duck
{
public:
   Duck() : _speed(0.0f), _quacking(false) {/* empty */}
   virtual ~Duck() {/* empty */}  // virtual only to demonstrate that this may not be a POD type

   float _speed;
   bool _quacking;
};

class Soup
{
public:
   Soup() : _size(0), _temperature(0.0f) {/* empty */}
   virtual ~Soup() {/* empty */}  // virtual only to demonstrate that this may not be a POD type

   int _size;
   float _temperature;
};

enum {
   TYPE_UNSET = 0,
   TYPE_DUCK,
   TYPE_SOUP
};

/** Tagged-union style variant class, can hold either one Duck or one Soup, but not both at once. */
class DuckOrSoup
{
public:
   DuckOrSoup() : _type(TYPE_UNSET) {/* empty*/}
   ~DuckOrSoup() {Unset();}

   void Unset() {ChangeType(TYPE_UNSET);}
   void SetValueDuck(const Duck & duck) {ChangeType(TYPE_DUCK); reinterpret_cast<Duck*>(_data)[0] = duck;}
   void SetValueSoup(const Soup & soup) {ChangeType(TYPE_SOUP); reinterpret_cast<Soup*>(_data)[0] = soup;}

private:
   void ChangeType(int newType);

   template <int S1, int S2> struct _maxx {enum {sz = (S1>S2)?S1:S2};};
   #define compile_time_max(a,b) (_maxx< (a), (b) >::sz)
   enum {STORAGE_SIZE = compile_time_max(sizeof(Duck), sizeof(Soup))};

   char _data[STORAGE_SIZE];
   int _type;   // a TYPE_* indicating what type of data we currently hold
};

void DuckOrSoup :: ChangeType(int newType)
{
   if (newType != _type)
   {
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK: (reinterpret_cast<Duck*>(_data))->~Duck(); break;
         case TYPE_SOUP: (reinterpret_cast<Soup*>(_data))->~Soup(); break;
      }
      _type = newType;
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK: (void) new (_data) Duck();  break;
         case TYPE_SOUP: (void) new (_data) Soup();  break;
      }
   }
}

int main(int argc, char ** argv)
{
   DuckOrSoup dos;
   dos.SetValueDuck(Duck());
   dos.SetValueSoup(Soup());
   return 0;
}

Answer 1

好的，如果你愿意存储一个额外的 void * 就可以做到。我对您的示例进行了一些重新格式化，以便我更容易使用。看看这个，看看它是否符合您的需求。另请注意，我提供了一些示例，以便您可以向其中添加一些有助于可用性的模板。它们可以扩展得更多，但这应该给你一个好主意。

还有一些输出内容可以帮助您了解发生了什么。

另一件事，我假设您知道您需要提供适当的复制向量和赋值运算符，但这不是这个问题的关键。

我的 g++ 版本信息：

g++ --版本
g++ (SUSE Linux) 4.5.0 20100604 [gcc-4_5-分支修订版 160292]

#include <new>
#include <iostream>

class Duck
{
public:
   Duck(float s = 0.0f, bool q = false) : _speed(s), _quacking(q)
  {
    std::cout << "Duck::Duck()" << std::endl;
  }
   virtual ~Duck() // virtual only to demonstrate that this may not be a POD type
   {
     std::cout << "Duck::~Duck()" << std::endl;
   }

   float _speed;
   bool _quacking;
};

class Soup
{
public:
   Soup(int s = 0, float t = 0.0f) : _size(s), _temperature(t)
  {
    std::cout << "Soup::Soup()" << std::endl;
  }
   virtual ~Soup() // virtual only to demonstrate that this may not be a POD type
   {
     std::cout << "Soup::~Soup()" << std::endl;
   }

   int _size;
   float _temperature;
};

enum TypeEnum {
   TYPE_UNSET = 0,
   TYPE_DUCK,
   TYPE_SOUP
};
template < class T > TypeEnum type_enum_for();
template < > TypeEnum type_enum_for< Duck >() { return TYPE_DUCK; }
template < > TypeEnum type_enum_for< Soup >() { return TYPE_SOUP; }

/** Tagged-union style variant class, can hold either one Duck or one Soup, but not both at once. */
class DuckOrSoup
{
public:
   DuckOrSoup() : _type(TYPE_UNSET), _data_ptr(_data) {/* empty*/}
   ~DuckOrSoup() {Unset();}

   void Unset() {ChangeType(TYPE_UNSET);}
   void SetValueDuck(const Duck & duck)
   {
     ChangeType(TYPE_DUCK);
     reinterpret_cast<Duck*>(_data_ptr)[0] = duck;
   }
   void SetValueSoup(const Soup & soup)
   {
     ChangeType(TYPE_SOUP);
     reinterpret_cast<Soup*>(_data_ptr)[0] = soup;
   }

   template < class T >
   void set(T const & t)
   {
     ChangeType(type_enum_for< T >());
     reinterpret_cast< T * >(_data_ptr)[0] = t;
   }

   template < class T >
   T & get()
   {
     ChangeType(type_enum_for< T >());
     return reinterpret_cast< T * >(_data_ptr)[0];
   }

   template < class T >
   T const & get_const()
   {
     ChangeType(type_enum_for< T >());
     return reinterpret_cast< T const * >(_data_ptr)[0];
   }

private:
   void ChangeType(int newType);

   template <int S1, int S2> struct _maxx {enum {sz = (S1>S2)?S1:S2};};
   #define compile_time_max(a,b) (_maxx< (a), (b) >::sz)
   enum {STORAGE_SIZE = compile_time_max(sizeof(Duck), sizeof(Soup))};

   char _data[STORAGE_SIZE];
   int _type;   // a TYPE_* indicating what type of data we currently hold
   void * _data_ptr;
};

void DuckOrSoup :: ChangeType(int newType)
{
   if (newType != _type)
   {
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK: (reinterpret_cast<Duck*>(_data_ptr))->~Duck(); break;
         case TYPE_SOUP: (reinterpret_cast<Soup*>(_data_ptr))->~Soup(); break;
      }
      _type = newType;
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK: (void) new (_data) Duck();  break;
         case TYPE_SOUP: (void) new (_data) Soup();  break;
      }
   }
}

int main(int argc, char ** argv)
{
   Duck sample_duck; sample_duck._speed = 23.23;
   Soup sample_soup; sample_soup._temperature = 98.6;
   std::cout << "Just saw sample constructors" << std::endl;
   {
     DuckOrSoup dos;
     std::cout << "Setting to Duck" << std::endl;
     dos.SetValueDuck(sample_duck);
     std::cout << "Setting to Soup" << std::endl;
     dos.SetValueSoup(sample_soup);
     std::cout << "Should see DuckOrSoup destruct which will dtor a Soup"
       << std::endl;
   }
   {
     std::cout << "Do it again with the templates" << std::endl;
     DuckOrSoup dos;
     std::cout << "Setting to Duck" << std::endl;
     dos.set(sample_duck);
     std::cout << "duck speed: " << dos.get_const<Duck>()._speed << std::endl;
     std::cout << "Setting to Soup" << std::endl;
     dos.set(sample_soup);
     std::cout << "soup temp: " << dos.get_const<Soup>()._temperature << std::endl;
     std::cout << "Should see DuckOrSoup destruct which will dtor a Soup"
       << std::endl;
   }
   {
     std::cout << "Do it again with only template get" << std::endl;
     DuckOrSoup dos;
     std::cout << "Setting to Duck" << std::endl;
     dos.get<Duck>() = Duck(42.42);
     std::cout << "duck speed: " << dos.get_const<Duck>()._speed << std::endl;
     std::cout << "Setting to Soup" << std::endl;
     dos.get<Soup>() = Soup(0, 32);
     std::cout << "soup temp: " << dos.get_const<Soup>()._temperature << std::endl;
     std::cout << "Should see DuckOrSoup destruct which will dtor a Soup"
       << std::endl;
   }
   std::cout << "Get ready to see sample destructors" << std::endl;
   return 0;
}

Answer 2

我会像这样编写代码：

typedef boost::variant<Duck, Soup> DuckOrSoup;

但我想每个人都有自己的品味。

顺便说一句，您的代码有错误，您没有考虑可能的对齐问题，您不能将对象放在内存中的任何位置，有一个需要遵守的约束，该约束随每种类型而变化。在 C++0x 中，有 alignof 关键字来获取它，还有一些其他实用程序来获取对齐存储。

Answer 3

我已经成功说服 GCC（4.2.4，使用 -Wstrict-aliasing=2 运行）不要通过使用 void * 临时来抱怨，即。

void SetValueDuck(const Duck & duck) {ChangeType(TYPE_DUCK); void *t=&_data; reinterpret_cast<Duck*>(t)[0] = duck;}

Answer 4

我仍然无法理解这个的必要性或用法，但是
带 -O3 -Wall 的 g++ 4.4.3 可与以下补丁配合使用。
如果有效，您可以分享用例吗？为什么需要这个？

class DuckOrSoup
{
public:
   DuckOrSoup() : _type(TYPE_UNSET) {_duck = NULL; _soup = NULL;/* empty*/}
   ~DuckOrSoup() {Unset();}

   void Unset() {ChangeType(TYPE_UNSET);}
   void SetValueDuck(const Duck & duck) {ChangeType(TYPE_DUCK); _duck = new (&_data[0])Duck (duck); }
   void SetValueSoup(const Soup & soup) { ChangeType(TYPE_SOUP); _soup = new (&_data[0])Soup (soup); }

private:
   void ChangeType(int newType);

   template <int S1, int S2> struct _maxx {enum {sz = (S1>S2)?S1:S2};};
   #define compile_time_max(a,b) (_maxx< (a), (b) >::sz)
   enum {STORAGE_SIZE = compile_time_max(sizeof(Duck), sizeof(Soup))};

   char _data[STORAGE_SIZE];
   int _type;   // a TYPE_* indicating what type of data we currently hold
   Duck* _duck;
   Soup* _soup;
};

void DuckOrSoup :: ChangeType(int newType)
{
   if (newType != _type)
   {
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK:
             _duck->~Duck();
             _duck = NULL;
             break;
         case TYPE_SOUP:
             _soup->~Soup();
             _soup = NULL;
             break;
      }
      _type = newType;
      switch(_type)
      {
         case TYPE_DUCK: _duck = new (&_data[0]) Duck();  break;
         case TYPE_SOUP: _soup = new (&_data[0]) Soup();  break;
      }
   }
}