c++ - 使用转换为 "wrong"类型的指针算法

Question

我有一个结构数组，并且有一个指向其中一个结构的成员 的指针。我想知道数组的哪个元素包含该成员。这里有两种方法:

#include <array>
#include <string>

struct xyz
{
    float x, y;
    std::string name;
};

typedef std::array<xyz, 3> triangle;

// return which vertex the given coordinate is part of
int vertex_a(const triangle& tri, const float* coord)
{
    return reinterpret_cast<const xyz*>(coord) - tri.data();
}

int vertex_b(const triangle& tri, const float* coord)
{
    std::ptrdiff_t offset = reinterpret_cast<const char*>(coord) - reinterpret_cast<const char*>(tri.data());
    return offset / sizeof(xyz);
}

这是一个测试驱动程序:

#include <iostream>

int main()
{
    triangle tri{{{12.3, 45.6}, {7.89, 0.12}, {34.5, 6.78}}};
    for (const xyz& coord : tri) {
        std::cout
            << vertex_a(tri, &coord.x) << ' '
            << vertex_b(tri, &coord.x) << ' '
            << vertex_a(tri, &coord.y) << ' '
            << vertex_b(tri, &coord.y) << '\n';
    }
}

两种方法都产生了预期的结果:

0 0 0 0
1 1 1 1
2 2 2 2

但它们是有效代码吗？

特别是我想知道 vertex_a() 是否可能通过将 float* y 转换为 xyz* 来调用未定义的行为，因为结果不是实际上指向一个struct xyz。这种担忧促使我编写了 vertex_b()，我认为这是安全的(是吗？)。

这是 GCC 6.3 使用 -O3 生成的代码:

vertex_a(std::array<xyz, 3ul> const&, float const*):
    movq    %rsi, %rax
    movabsq $-3689348814741910323, %rsi ; 0xCCC...CD
    subq    %rdi, %rax
    sarq    $3, %rax
    imulq   %rsi, %rax

vertex_b(std::array<xyz, 3ul> const&, float const*):
    subq    %rdi, %rsi
    movabsq $-3689348814741910323, %rdx ; 0xCCC...CD
    movq    %rsi, %rax
    mulq    %rdx
    movq    %rdx, %rax
    shrq    $5, %rax

Answer 1

根据标准，两者均无效。

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在 vertex_a 中，您可以将指向 xyz::x 的指针转换为指向 xyz 的指针，因为它们是 pointer-interconvertible :

Two objects a and b are pointer-interconvertible if [...] one is a standard-layout class object and the other is the first non-static data member of that object [...]

If two objects are pointer-interconvertible, then they have the same address, and it is possible to obtain a pointer to one from a pointer to the other via a reinterpret_­cast.

但是您不能将指向 xyz::y 的指针转换为指向 xyz 的指针。该操作未定义。

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在 vertex_b 中，您要减去两个指向 const char 的指针。该操作在 [expr.add] 中定义为:

If the expressions P and Q point to, respectively, elements x[i] and x[j] of the same array object x, the expression P - Q has the value i − j; otherwise, the behavior is undefined

您的表达式不指向 char 数组的元素，因此行为未定义。