c++ - C++ nullptr实现如何工作？

Question

我很好奇知道nullptr的工作原理。标准N4659和N4849说:

它必须具有std::nullptr_t类型；

您不能接收其地址；

它可以直接转换为指针和成员指针；

sizeof(std::nullptr_t) == sizeof(void*);

转换为bool的过程是false；

的值可以转换为与(void*)0相同的整数类型，但不能向后转换；

因此，它基本上是一个常量，其含义与 (void*)0相同，但类型不同。我在我的设备上找到了 std::nullptr_t的实现，如下。

#ifdef _LIBCPP_HAS_NO_NULLPTR

_LIBCPP_BEGIN_NAMESPACE_STD

struct _LIBCPP_TEMPLATE_VIS nullptr_t
{
    void* __lx;

    struct __nat {int __for_bool_;};

    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR nullptr_t() : __lx(0) {}
    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR nullptr_t(int __nat::*) : __lx(0) {}

    _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR operator int __nat::*() const {return 0;}

    template <class _Tp>
        _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR
        operator _Tp* () const {return 0;}

    template <class _Tp, class _Up>
        _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
        operator _Tp _Up::* () const {return 0;}

    friend _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR bool operator==(nullptr_t, nullptr_t) {return true;}
    friend _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR bool operator!=(nullptr_t, nullptr_t) {return false;}
};

inline _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY _LIBCPP_CONSTEXPR nullptr_t __get_nullptr_t() {return nullptr_t(0);}

#define nullptr _VSTD::__get_nullptr_t()

_LIBCPP_END_NAMESPACE_STD

#else  // _LIBCPP_HAS_NO_NULLPTR

namespace std
{
    typedef decltype(nullptr) nullptr_t;
}

#endif  // _LIBCPP_HAS_NO_NULLPTR

我对第一部分更感兴趣。它似乎满足了1-5点的要求，但是我不知道为什么它有一个子类__nat及其相关的所有内容。我也想知道为什么积分转换失败。

struct nullptr_t2{
    void* __lx;
    struct __nat {int __for_bool_;};
     constexpr nullptr_t2() : __lx(0) {}
     constexpr nullptr_t2(int __nat::*) : __lx(0) {}
     constexpr operator int __nat::*() const {return 0;}
    template <class _Tp>
         constexpr
        operator _Tp* () const {return 0;}
    template <class _Tp, class _Up>
        operator _Tp _Up::* () const {return 0;}
    friend  constexpr bool operator==(nullptr_t2, nullptr_t2) {return true;}
    friend  constexpr bool operator!=(nullptr_t2, nullptr_t2) {return false;}
};
inline constexpr nullptr_t2 __get_nullptr_t2() {return nullptr_t2(0);}
#define nullptr2 __get_nullptr_t2()

int main(){
    long l  = reinterpret_cast<long>(nullptr);
    long l2 = reinterpret_cast<long>(nullptr2); // error: invalid type conversion
    bool b  = nullptr; // warning: implicit conversion
                       // edditor error: a value of type "std::nullptr_t" cannot be used to initialize an entity of type "bool"
    bool b2 = nullptr2;
    if (nullptr){}; // warning: implicit conversion
    if (nullptr2){};
};

Answer 1

I am curious to know how nullptr works.

它以最简单的方式工作:通过命令。之所以有效，是因为C++标准说它有效，并且它之所以起作用，是因为C++标准说实现必须使其以这种方式工作。

重要的是要认识到不可能使用C++语言的规则来实现 std::nullptr_t。从 std::nullptr_t类型的空指针常量到指针的转换不是用户定义的转换。这意味着您可以从一个空指针常量转到一个指针，然后通过用户定义的转换到某种其他类型，全部都在一个隐式转换序列中进行。

如果将 nullptr_t实现为一个类，则不可能。转换运算符表示用户定义的转换，并且C++的隐式转换序列规则不允许在这种序列中进行多个用户定义的转换。

因此，您发布的代码非常类似于 std::nullptr_t，但仅此而已。它不是该类型的合法实现。这可能来自较旧的编译器版本(出于向后兼容的原因而保留)，之后编译器为 std::nullptr_t提供了适当的支持。您可以通过 #define s nullptr看到这一点，而C++ 11则说 nullptr是关键字，而不是宏。

C++无法实现 std::nullptr_t，就像C++无法实现 int或 void*一样。只有实现可以实现那些东西。这就是使其成为“基本类型”的原因；这是语言的一部分。

its value can be converted to integral type identically to (void*)0, but not backwards;

从空指针常量到整数类型都有 no implicit conversion。从 0转换为整数类型，但这是因为它是整数文字零，即...整数。
nullptr_t可以转换为整数类型(通过 reinterpret_cast)，但是只能隐式转换为指针和 bool。