为什么将指针强制转换回原始类会产生奇怪的行为？

Question

假设在我的代码中，我必须将 void* 存储为数据成员，并在需要时将其类型转换回原始 class 指针。为了测试它的可靠性，我编写了一个测试程序(linux ubuntu 4.4.1 g++ -04 -Wall)，我对这种行为感到震惊。

struct A
{
  int i;
  static int c;
  A () : i(c++) { cout<<"A() : i("<<i<<")\n"; }
};
int A::c;

int main ()
{
  void *p = new A[3];  // good behavior for A* p = new A[3];
  cout<<"p->i = "<<((A*)p)->i<<endl;
  ((A*&)p)++;
  cout<<"p->i = "<<((A*)p)->i<<endl;
  ((A*&)p)++;
  cout<<"p->i = "<<((A*)p)->i<<endl;
}

这只是一个测试程序；实际上，对于我的情况，必须将任何指针存储为 void* ，然后将其转换回实际指针（在 template 的帮助下）。所以我们不用担心那部分。 上述代码的输出是，

p->i = 0
p->i = 0 // ?? why not 1
p->i = 1

但是，如果您更改 void* p; 到 A* p; 它给出了预期行为。 为什么？

另一个问题，我无法摆脱 (A*&) 否则我无法使用 operator ++;但它也发出警告，取消引用类型双关指针将中断严格别名规则。有什么体面的方法来克服警告吗？

Answer 1

好吧，正如编译器警告您的那样，您违反了严格的别名规则，这正式意味着结果未定义。

您可以通过使用增量函数模板来消除严格的别名冲突：

template<typename T>
void advance_pointer_as(void*& p, int n = 1) {
    T* p_a(static_cast<T*>(p));
    p_a += n;
    p = p_a;
}

使用此函数模板，以下 main() 定义可在 Ideone 编译器上产生预期结果（并且不会发出警告）：

int main()
{
    void* p = new A[3];
    std::cout << "p->i = " << static_cast<A*>(p)->i << std::endl;
    advance_pointer_as<A>(p);
    std::cout << "p->i = " << static_cast<A*>(p)->i << std::endl;
    advance_pointer_as<A>(p);
    std::cout << "p->i = " << static_cast<A*>(p)->i << std::endl;
}

Answer 2

您已经收到了正确的答案，并且确实违反了严格的别名规则，导致了代码的不可预测的行为。我只是注意到你的问题的标题提到了“将指针投射回原始类”。实际上，您的代码与“返回”任何内容没有任何关系。您的代码将 void * 指针占用的原始内存内容重新解释为 A * 指针。这不是“回退”。这是重新解释。甚至根本不是同一件事。

说明差异的一个好方法是使用 int 和 float 示例。声明并初始化为的 float 值

float f = 2.0;

可以被强制转换（显式或隐式转换）为

int i = (int) f;

具有预期结果的

assert(i == 2);

int 类型这确实是一个强制转换（一个转换）。

或者，相同的 float 值也可以重新解释为 int 值。

int i = (int &) f;

但是，在这种情况下，i 的值将完全没有意义，并且通常不可预测的。我希望从这些示例中很容易看出转换和内存重新解释之间的区别。

重新解释正是您在代码中所做的事情。 (A *&) p 表达式只不过是将指针 void *p 占用的原始内存重新解释为 A *。该语言不保证这两种指针类型具有相同的表示形式，甚至相同的大小。因此，期望代码出现可预测的行为就像期望上述 (int &) f 表达式的计算结果为 2 一样。

真正“投射回”您的 void * 指针的正确方法是执行 (A *) p，而不是 (A *&) p代码>. (A *) p 的结果确实是原始指针值，可以通过指针算术安全地操作。获取原始值作为左值的唯一正确方法是使用附加变量

A *pa = (A *) p;
...
pa++;
...

并且没有合法的方法来“就地”创建左值，正如您尝试通过 (A *&) p< /code> 演员。您的代码的行为就说明了这一点。

Answer 3

正如其他人评论的那样，您的代码看起来应该可以工作。只有一次（在 C++ 编码的 17 年多的时间里）我遇到过一些东西，我直接查看代码和行为，就像你的情况一样，只是没有意义。我最终通过调试器运行代码并打开反汇编窗口。我发现只能解释为 VS2003 编译器中的错误，因为它恰好缺少一条指令。只需重新排列函数顶部的局部变量（从错误开始大约 30 行），编译器就会将正确的指令放回原处。因此，尝试使用反汇编调试器并跟踪内存/寄存器，看看它实际上在做什么？

至于推进指针，你应该能够通过这样做来推进它：

p = (char*)p + sizeof( A );

VS2003到VS2010永远不会给你抱怨，不确定g++