为啥 C++11 包含一个关于比较 void 指针的奇怪子句？

Posted 2023-02-22

【中文标题】为啥 C++11 包含一个关于比较 void 指针的奇怪子句？

【英文标题】：Why does C++11 contain an odd clause about comparing void pointers?为什么 C++11 包含一个关于比较 void 指针的奇怪子句？

【发布时间】：2019-06-19 02:34:34

【问题描述】：

在检查另一个问题的参考资料时，我注意到 C++11 中有一个奇怪的子句，位于 [expr.rel] ¶3:

可以比较指向void（指针转换后）的指针，结果定义如下：如果两者 指针表示相同的地址或者都是空指针值，如果运算符是，则结果是true <= 或 >= 和 false 否则；否则结果未指定。

这似乎意味着，一旦两个指针被强制转换为void *，它们的顺序关系就不再得到保证；例如，这个：

int foo[] = 1, 2, 3, 4, 5;
void *a = &foo[0];
void *b = &foo[1];
std::cout<<(a < b);

似乎未指定。

有趣的是，这个子句在 C++03 中不存在，而在 C++14 中消失了，所以如果我们以上面的例子应用 C++14 的措辞，我会说 ¶3.1

如果两个指针指向同一数组的不同元素或其子对象，则指向具有较高下标的元素的指针比较大。

将适用，因为 a 和 b 指向同一数组的元素，即使它们已被强制转换为 void *。请注意，¶3.1 的措辞在 C++11 中几乎相同，但似乎被 void * 子句覆盖。

我的理解是否正确？在 C++11 中添加并立即删除的那个奇怪的子句有什么意义？或者它可能仍然存在，但被标准的其他部分移动/暗示？

【问题讨论】：

这并不奇怪，C 和 C++ 是类型化语言，将整数数组的地址分配给 void* 与类似分配不同，因此需要强制转换。 static_cast(foo);

@SPlatten：任何数据指针都隐式转换为void *，因此不需要显式转换，尽管确实在某些奇怪的架构（想到分段内存）上转换为void *可能不是普通的按位复制；尽管如此，我仍然无法想象一个架构，其中“常规指针”到“大，void 指针”转换不会保留同一数组的元素之间的排序关系。

我可以将图像指针比较实现为“计算 a 和 b 之间的元素数量；如果它是负数，则 bvoid*，因为没有void[]。

@MSalters：我也可以想象a - b 被实现为int c; while((c = rand()) + b == a);，但这并不意味着它几乎是明智的。 :-) 另外，我希望它违反算法/容器部分中某处所述的时间复杂度要求。

根据该条款的措辞char c; bool b = (void *)&c == (void *)&c 将是错误的，完全没有理由。我读对了吗？

【参考方案1】：

TL;DR：

在 C++98/03 中，该子句不存在，并且标准没有为 void 指针指定关系运算符（核心问题 879，参见本文末尾）； 在 C++11 中添加了关于比较 void 指针的奇怪条款来解决它，但这反过来又引发了另外两个核心问题 583 和 1512（见下文）； 这些问题的解决需要删除该子句并用 C++14 标准中的措辞替换，这允许“正常”void * 比较。

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核心问题 583：Relational pointer comparisons against the null pointer constant

与空指针常量的关系指针比较第 8.9 节 [expr.rel]

在 C 中，这是格式错误的（参见 C99 6.5.8）：

void f(char* s) 
    if (s < 0)  
 ...but in C++, it's not. Why? Who would ever need to write (s > 0) when they could just as well write (s != 0)?

自 ARM 以来（可能更早），这一直是该语言； 显然是因为指针转换（7.11 [conv.ptr]）需要 每当操作数之一为 指针类型。所以它看起来像“null-ptr-to-real-pointer-type” 转换与其他指针转换搭上了顺风车。

提议的决议（2013 年 4 月）：

issue 1512 的解决方案解决了此问题。

核心问题 1512：Pointer comparison vs qualification conversions

指针比较与限定转换部分：8.9 [expr.rel]

根据 8.9 [expr.rel] 第 2 段，描述指针 比较，

指针转换 (7.11 [conv.ptr]) 和限定转换 (7.5 [conv.qual]) 对指针操作数（或指针 操作数和一个空指针常量，或两个空指针常量， 至少其中一个是非集成的）将它们带到他们的 复合指针类型。这似乎使以下 格式不正确的示例，

 bool foo(int** x, const int** y) 
 return x < y;  // valid ?    because int** cannot be converted to const int**, according to the rules of 7.5 [conv.qual] paragraph 4.

这对于指针比较来说似乎太严格了，而且当前 实现接受示例。

提议的决议（2012 年 11 月）：

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上述问题的解决方法的相关摘录见论文：Pointer comparison vs qualification conversions (revision 3)。

以下内容还解决了核心问题 583。

5.9 expr.rel 第 1 至 5 段的更改：

在本节中，以下语句（C++11 中的奇数子句）已被删除：

可以比较指向void（指针转换后）的指针，其结果定义如下： 如果两个指针表示相同的地址或都是空指针值，则结果为true 如果运算符为@ 987654332@ 或 >= 和 false 否则；否则结果未指定

并且添加了以下语句：

如果两个指针指向同一数组的不同元素或其子对象，则指向具有较高下标的元素的指针比较大。 如果一个指针指向数组的一个元素或其子对象，而另一个指针指向数组的最后一个元素，则后者的指针比较大。

所以在C++14 (n4140) section [expr.rel]/3 的最终工作草案中，发现上述陈述与决议时的陈述相同。

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挖掘添加这个奇怪子句的原因让我看到了更早的第 879 期：Missing built-in comparison operators for pointer types。 该问题的提议解决方案（2009 年 7 月）导致增加了该条款，该条款于 2009 年 10 月被 WP 投票通过。

这就是它被包含在 C++11 标准中的原因。

【讨论】：

这解释了为什么它被删除，但为什么它首先被添加？委员会试图通过限制void * 的比较来达到什么目的？或者我错了，我的问题中的示例导致当前 C++ 上的未指定行为（IOW 他们只是改变了措辞）？

@MatteoItalia：我试图通过查找 C++11 标准中的“与 C++03 的兼容性”部分来寻找添加它的原因，但找不到任何相关内容。当前的 C++(17) 也没有以任何形式提及此子句（据我可以检查标准），因此行为可能只是未指定。

“古怪条款”与任一核心问题均无关。由于问题解决方案重写了子条款，因此它更像是一种临时解决方案。

@MatteoItalia：请参阅对答案的编辑，它回答了为什么首先添加这个奇怪的子句的问题。

@MatteoItalia：流程现在看起来更多结构化。感谢您的编辑。