c++ - 在不同限定的结构成员上使用 reinterpret_cast 是否安全？

Question

_{我查看了以下相关的问题，但似乎没有一个能解决我的确切问题:one , two , three .}

我正在编写一个集合，其中的元素(键值对)与一些簿记信息一起存储:

struct Element {
    Key key;
    Value value;
    int flags;
};

std::vector<Element> elements;

(为简单起见，假设 Key 和 Value 都是标准布局类型。该集合无论如何都不会与任何其他类型一起使用。)

为了支持基于迭代器的访问，我编写了覆盖 operator-> 和 operator* 的迭代器，以向用户返回一个指针和一个引用，分别为键值对。但是，由于集合的性质，永远不允许用户更改返回的 key 。为此，我声明了一个 KeyValuePair 结构:

struct KeyValuePair {
    const Key key;
    Value value;
};

我在迭代器上实现了 operator->，如下所示:

struct iterator {
    size_t index;

    KeyValuePair *operator->() {
        return reinterpret_cast<KeyValuePair *>(&elements[index]);
    }
};

我的问题是:reinterpret_cast 的这种使用是定义明确的，还是调用了未定义的行为？我试图解释标准的相关部分并检查了有关类似问题的问题的答案，但是，我未能从中得出明确的结论，因为……:

• 这两种结构类型共享一些初始数据成员(即 key 和 value)，仅在 const 限定上有所不同；<
• 标准没有明确说明 T 和 cv T 是布局兼容的，但也没有相反的说明；此外，它还规定它们应具有相同的表示和对齐要求；
• 如果第一个但许多成员具有布局兼容类型，则两个标准布局类类型共享一个公共(public)初始序列；
• 对于包含共享公共(public)初始序列的类类型成员的 union 类型，允许使用任一 union 成员​​ (9.2p18) 检查此类初始序列的成员。– 对于共享公共(public)初始序列的reinterpret_casted pointers-to-structs 没有类似的明确保证。– 但是，保证指向结构的指针指向其初始成员 (9.2p19)。

仅使用这些信息，我发现无法推断出 Element 和 KeyValuePair 结构是否共享一个公共(public)初始序列，或者是否有任何其他共同点可以证明我的观点重新解释_cast。

顺便说一句，如果您认为为此目的使用 reinterpret_cast 是不合适的，而且我确实面临 XY 问题，因此我应该简单地做一些其他事情来实现我的目标，请告诉我.

Answer 1

My question is: is this use of reinterpret_cast well-defined, or does it invoke undefined behavior?

reinterpret_cast 在这里是错误的方法，您只是违反了严格的别名。 reinterpret_cast 和 union 在这里 fork 有点令人费解，但是这个场景的措辞非常清楚。

这样简单地定义 union 可能会更好:

union elem_t {
   Element e{}; KeyValuePair p;
   /* special member functions defined if necessary */
};

... 并将其用作 vector 元素类型。请注意，在确定布局兼容性时忽略 cv 限定 - [basic.types]/11:

Two types cv1 T1 and cv2 T2 are layout-compatible types if T1 and T2 are the same type, […]

因此 Element 和 KeyValuePair 确实共享一个公共(public)初始序列，并访问 p 的相应成员，前提是 e 是活的，是明确定义的。

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另一种方法:定义

struct KeyValuePair {
    Key key;
    mutable Value value;
};

struct Element : KeyValuePair {
    int flags;
};

现在提供一个迭代器，它简单地从 vector 中包装一个 const_iterator 并向上转换要公开的引用/指针。 key 不可修改，但 value 可以。