调用从不兼容类型转换而来的零数据结构的成员函数 - 未定义？

Question

在不可修改的标头中声明了一个前向 C 结构。我想“虚拟地”为其添加方便的成员函数。显然，我的第一选择是扩展结构并将方法添加到派生类。无法做到，因为结构本身在标头中被声明为“forward”，所以我收到错误“错误：无效使用不完整类型...”。如果我尝试使用旧结构的单个元素定义新结构，我会收到类似的错误。这太糟糕了。

然而，我想我可以用reinterpret_cast做一些黑客操作来让它工作。事情的发展方向是这样的：

//defined in header
struct A forward;
void do_something_with_A(A* a, int arg);

//defined in my wrapper
struct B {
  B* wrap(A* a) {return reinterpret_cast<B*>(a); }
  void do_something(int arg) {do_something_with_A(reinterpret_cast<A*>(this),arg); }
}

如果我添加从类型 B 到类型 A 的隐式转换，我认为这几乎就好像 B 是 A 的零数据继承者一样。但是，这显然提出了一个问题：这在 C++ 中是未定义的吗？通常我会认为访问非法转换的结构的元素将是未定义的；这是有道理的。然而，我认为从一种类型到另一种类型的reinterpret_casting，传递该指针，然后再次转换回来，中间不做任何非法的事情就可以了。我还认为编译器实现非虚拟结构成员的方式是创建一个函数

B::do_something(B* b, int arg)

并使用 B 的适当参数调用它。然后这会减少到前面的情况，根据我可疑的逻辑，这是可以的。所以我认为在一个实际上是reinterpret_cast A的结构上调用.do_something就可以了。

然而，这并没有说明 C++ 标准在这个问题上的实际含义。有什么帮助吗？另外，如果有人知道这在实际中效果如何（即“每个编译器都接受这个”，或“这仅适用于少数编译器”），这也会有帮助，但稍微没那么有用。

Answer 1

我相信，如果您将 A* 转换为 B*，然后再次将其转换回 A*，那么标准表明您没问题。那些将是reinterpret_casts，但不是static_casts。

但正常的解决方案到底有什么问题呢？

class B
{
private:
  A* ptr;
public:
  B(A* p) : ptr(p) {}
  void do_something(int arg) { do_something_with_A(ptr,arg); }
};

似乎与您的解决方案一样有效并且更少杂乱。

Answer 2

我不认为如果您使用 static_cast ，这会起作用，因为您无法在两个完全不相关的类类型之间进行 static_cast 。具体来说，如果您有一个 A* 类型的指针并尝试将其转换为 B* 类型的指针，则仅 static_cast如果此声明有效，则成功：

B* ptr(myAPtr);

或者如果 B 不是从 A 虚拟派生的（但事实并非如此）。有关详细信息，请参阅 ISO 规范第 §5.2.9 节。如果我们考虑上述声明，则在所有 §4 中唯一可能应用的转换是 §4.10 中的转换，而其中唯一可能适用的转换是从基类到派生类的转换 (§4.10/3) ，但这不适用于此处，因为 A 和 B 不是相关类型。

您在这里可以使用的唯一转换是reinterpret_cast，而且看起来这也不起作用。特别是，跨类层次结构的转换行为是（§5.2.10/7）

指向对象的指针可以显式转换为指向不同类型对象的指针。65) 除了将“指向 T1 的指针”类型的右值转换为“指向 T2 的指针”类型（其中 T1 T2 和 T2 是对象类型，并且 T2 的对齐要求并不比 T1 更严格），并且返回到其原始类型会产生原始指针值，此类指针转换的结果是未指定的。

因此，如果两个对象具有不同的对齐限制，则无法立即保证任何操作都能正常工作，并且您无法确保这是真的。但假设你可以。但在这种情况下，我相信这实际上会正常工作！这是推理。当您调用 B 对象的成员函数时，规则 &5.2.2/1) 就会启动并说明这一点，因为该函数是非虚拟的：

[...] 成员函数调用中调用的函数通常根据对象表达式的静态类型来选择。 [...]

好的，所以我们至少调用了正确的函数。现在，this 指针怎么样？嗯，根据&5.2.2/4：

[...] 如果函数是非静态成员函数，则函数 (9.3.2) 的“this”参数应使用指向调用对象的指针进行初始化，并像通过显式类型进行转换一样转换（5.4）。 [...]

最后一部分完成的类型转换是从 B* 到 B* 的恒等转换，因为这是选定的类型。因此，您已经使用适当设置的 this 指针调用了正确的函数。好的！最后，当您通过 reinterpret_cast 返回原始类型时，根据之前的规则，您将返回 A* 对象，一切都会按预期进行。

当然，只有当对象具有相同的对齐要求时才有效，并且不能保证这一点。因此，您不应该这样做！

希望这有帮助！