c++ - reinterpret_cast 从原始内存中获取的指针重新分配是否会导致 UB？

Question

在我们的讲座中，我们讨论了 std::list 的内部可能实现。讲师展示了创建虚拟节点以指示列表末尾的方法:

struct Node { Node* prev; ... }

Node* dummy = reinterpret_cast<Node*>(new int8_t[sizeof(Node)]);
dummy->prev = ... /* last node */;

他们声称最后一行可能导致未定义的行为。我不明白为什么这可能不安全。归根结底，我们只是在不取消引用预设的情况下覆盖了几位。如果这真的是个问题，它不会在 reinterpret_casting 时发生吗？

那么，这里是否真的发生了未定义的行为，如果是，为什么？

Answer 1

首先，对于你的第二行

Node* dummy = reinterpret_cast<Node*>(new int8_t[sizeof(Node)]);

自己。

new 返回指向它创建的 int8_t 对象数组中第一个 int8_t 对象的指针。

reinterpret_cast 的行为取决于指针所代表地址的对齐方式。如果它适合 Node 类型的对象对齐，那么它将保持指针值不变(因为在指针可相互转换的位置明确没有 Node 对象使用 int8_t 对象)。如果未适当对齐，则返回的指针值将未指定。

未指定 意味着我们不知道该值是什么，但它不会导致未定义的行为。

因此，在任何情况下，第二行和转换本身都没有未定义的行为。

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线

dummy->prev = ... /* last node */;

要求dummy指向的对象实际上是一个Node对象。否则它有未定义的行为。如上所述，reinterpret_cast 为我们提供了一个未指定的值或指向 int8_t 对象的指针。这已经是一个问题，我认为至少需要一个 std::launder 调用。

即使 new 返回的指针正确对齐，我们仍然需要检查是否存在 Node 对象。我们当然没有在任何显示的操作中显式创建任何此类对象，但是隐式对象创建可能会有所帮助(至少从 C++20 开始，但我想这应该是针对旧标准版本的缺陷报告).

具体来说，可以在unsigned char、std::byte 和char 类型数组中隐式创建对象，但有一些限制( CWG 2489 ) 当数组的生命周期开始时。 int8_t 通常是 signed char 我认为不允许是前面提到的三种类型中的任何一种(参见例如 this question )。这消除了 UB 的唯一可能出路。

所以你的第三行代码确实有未定义的行为。

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即使您通过将类型形式 int8_t 更改为 std::byte 来解决此问题，Node 的细节上还有其他限制使隐式对象创建成为可能。可能还需要添加 std::launder 调用。

所有这些还没有考虑对齐，因为虽然 new[] 获得内存有一些对齐要求，但我认为标准要求 new[] 本身仅针对 char、unsigned char 和 std::byte 数组 new< 返回比元素类型所需的对齐更强的指针.

许多这些问题可能可以通过使用例如直接使用 operator new，可能会提供对齐请求，并确保 Node 是一个聚合。

在任何情况下，编写这样的代码都是非常冒险的，因为很难确定它不是 UB。应尽可能避免。