c++ - 在初始化内存上使用 placement new 是否合法？

Question

我正在探索在 C++ 中实现真正(部分)不可变数据结构的可能性。由于 C++ 似乎不区分变量和变量存储的对象，因此真正替换对象(无需赋值操作!)的唯一方法是使用 placement new:

auto var = Immutable(state0);
// the following is illegal as it requires assignment to
// an immutable object
var = Immutable(state1);
// however, the following would work as it constructs a new object
// in place of the old one
new (&var) Immutable(state1);

假设没有要运行的非平凡析构函数，这在 C++ 中是否合法，或者我应该期待未定义的行为？如果它依赖于标准，那么我可以期望它起作用的最小/最大标准版本是什么？

附录:由于似乎人们在 2019 年仍会阅读此内容，因此请快速说明 — 这种模式实际上在现代(后 17 版)C++ 中使用 std::launder() 是合法的。 .

Answer 1

您写的内容在技术上是合法的，但几乎肯定没有用。

假设

struct Immutable {
  const int x;
  Immutable(int val):x(val) {}
};

对于我们非常简单的不可变类型。

auto var = Immutable(0);
::new (&var) Immutable(1);

这是完全合法的。

而且没用，因为您不能使用 var 来引用 Immutable(1) 在放置 new 之后存储在其中的状态>。任何此类访问都是未定义的行为。

你可以这样做:

auto var = Immutable(0);
auto* pvar1 = ::new (&var) Immutable(1);

并且访问 *pvar1 是合法的。你甚至可以这样做:

auto var = Immutable(0);
auto& var1 = *(::new (&var) Immutable(1));

但在任何情况下，您都不能在将 new 放在上面之后引用 var。

C++ 中的实际 const 数据是对编译器的 promise ，您永远不会更改该值。这是与对 const 的引用或指向 const 的指针的比较，这只是建议您不要修改数据。

声明为 const 的结构成员“实际上是 const”。编译器会假定它们从未被修改过，也不会费心去证明这一点。

您在旧实例有效的地方创建新实例违反了此假设。

您可以这样做，但您不能使用旧名称或指针 来引用它。 C++ 让你搬起石头砸自己的脚。继续前进，我们敢于挑战。

这就是为什么这种技术是合法的，但几乎完全没有用。具有静态单一赋值的优秀优化器已经知道您将在此时停止使用 var，并创建

auto var1 = Immutable(1);

它可以很好地重用存储空间。

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将 new 放置在另一个变量之上通常是定义的行为。这通常不是一个好主意，而且脆弱。

这样做会结束旧对象的生命周期而不调用析构函数。如果某些特定假设成立(完全相同的类型，没有 const 问题)，旧对象的引用和指针以及名称引用新对象。

修改声明为 const 的数据，或包含 const 字段的类，会导致引脚掉落时出现未定义的行为。这包括结束声明为 const 的自动存储字段的生命周期并在该位置创建一个新对象。旧名称、指针和引用使用起来不安全。

[基本生活 3.8]/8:

If, after the lifetime of an object has ended and before the storage which the object occupied is reused or released, a new object is created at the storage location which the original object occupied, a pointer that pointed to the original object, a reference that referred to the original object, or the name of the original object will automatically refer to the new object and, once the lifetime of the new object has started, can be used to manipulate the new object, if:

• (8.1) the storage for the new object exactly overlays the storage location which the original object occupied, and

• (8.2) the new object is of the same type as the original object (ignoring the top-level cv-qualifiers), and

• (8.3) the type of the original object is not const-qualified, and, if a class type, does not contain any non-static data member whose type is const-qualified or a reference type, and

• (8.4) the original object was a most derived object (1.8) of type T and the new object is a most derived object of type T (that is, they are not base class subobjects).

简而言之，如果您的不变性是通过 const 成员编码的，则使用旧名称​​或指向旧​​内容的指针是未定义的行为。

您可以使用 placement new 的返回值来引用新对象，而不是其他任何东西。

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异常的可能性使得阻止执行未定义行为或必须立即退出的代码变得极其困难。

如果你想要引用语义，要么使用指向 const 对象的智能指针，要么使用可选的 const 对象。两者都处理对象生命周期。第一个需要堆分配但允许移动(和可能的共享引用)，第二个允许自动存储。两者都将手动对象生命周期管理从业务逻辑中移出。现在，两者都可以为 null，但无论怎样手动操作都很难可靠地避免这种情况。

还考虑写指针复制，这些指针允许逻辑 const 数据具有突变以提高效率。