c++ - 将字节数组转换为 POD

Question

假设我有一个无符号字符数组，代表一堆 POD 对象(例如，从套接字读取或通过 mmap 读取)。它们代表哪些类型以及在什么位置是在运行时确定的，但我们假设每个类型都已经正确对齐。

将这些字节“转换”为相应的 POD 类型的最佳方法是什么？

解决方案应该符合 c++ 标准(假设 >= c++11)，或者至少保证可以使用 g++ >= 4.9、clang++ >= 3.5 和 MSVC >= 2015U3。编辑:在 linux、windows 上，在 x86/x64 或 32/64 位 arm 上运行。

理想情况下，我想做这样的事情:

uint8_t buffer[100]; //filled e.g. from network

switch(buffer[0]) {
    case 0: process(*reinterpret_cast<Pod1*>(&buffer[4]); break;
    case 1: process(*reinterpret_cast<Pod2*>(&buffer[8+buffer[1]*4]); break;
    //...
}

或

switch(buffer[0]) {
    case 0: {
         auto* ptr = new(&buffer[4]) Pod1; 
         process(*ptr); 
    }break;
    case 1: {
         auto* ptr = new(&buffer[8+buffer[1]*4]) Pod2; 
         process(*ptr); 
    }break;
    //...
}

两者似乎都有效，但两者都是 c++¹⁾ 中的 AFAIK 未定义行为。并且只是为了完整性:我知道“通常”的解决方案是将这些东西复制到适当的局部变量中:

 Pod1 tmp;
 std::copy_n(&buffer[4],sizeof(tmp), reinterpret_cast<uint8_t*>(&tmp));             
 process(tmp); 

在某些情况下，在其他情况下它可能没有开销，在某些情况下它甚至可能更快，但除了性能之外，我不再可以，例如修改数据，老实说:知道我在内存中的适当位置有正确的位，但我就是不能使用它们，这让我很恼火。

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我想出的一个有点疯狂的解决方案是:

template<class T>
T* inplace_cast(uint8_t* data) {
    //checks omitted for brevity
    T tmp;
    std::memmove((uint8_t*)&tmp, data, sizeof(tmp));
    auto ptr = new(data) T;
    std::memmove(ptr, (uint8_t*)&tmp,  sizeof(tmp));
    return ptr;

}

g++ 和 clang++ 似乎能够优化掉那些拷贝，但我认为这会给优化器带来很大负担，并可能导致其他优化失败，不适用于 const uint8_t* (虽然我不想实际修改它)而且看起来很糟糕(不要认为你会得到过去的代码审查)。

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¹⁾ 第一个是 UB，因为它破坏了严格的别名，第二个可能是 UB ( discussed here )，因为标准只是说生成的对象没有初始化并且具有不确定的值(而不是保证底层内存不受影响)。我相信第一个等效的 c 代码定义良好，因此编译器可能会允许它与 c 头文件兼容，但我不确定。

Answer 1

最正确的方法是创建所需 POD 类的(临时)变量，并使用 memcpy() 将数据从缓冲区复制到该变量中:

switch(buffer[0]) {
    case 0: {
        Pod1 var;
        std::memcpy(&var, &buffer[4], sizeof var);
        process(var);
        break;
    }
    case 1: {
        Pod2 var;
        std::memcpy(&var, &buffer[8 + buffer[1] * 4], sizeof var);
        process(var);
        break;
    }
    //...
}

这样做的主要原因是对齐问题:缓冲区中的数据可能未针对您使用的 POD 类型正确对齐。制作拷贝消除了这个问题。即使网络缓冲区不再可用，它也允许您继续使用该变量。

只有当您绝对确定数据正确对齐时，您才能使用您提供的第一个解决方案。

(如果你从网络读取数据，你应该首先检查数据是否有效，并且你不会在缓冲区之外读取数据。例如 &buffer[8 + buffer[1 ] * 4]，您应该检查该地址的开头加上 Pod2 的大小不超过缓冲区长度。幸运的是，您使用的是 uint8_t，否则您还必须检查 buffer[1] 是否为负数。)