以字节为单位递增指针以索引跨步数组

Question

我编写了一个库，其接口引用来自客户端的坐标数据。客户需要提供一系列点，每个点包含 3 个连续的

float

。我决定使用跨步数组表示，以便客户端可以继续使用自己的数据类型。

假设客户端在内部使用以下

Point

结构（它对库不可见）:

struct Point {
    float[3] xyz;
    CustomData data;
    // more data
};

客户端应将一些

Point

存储在连续的存储中，并将相关信息传递到我的库：

struct Interface {
    const float* first_x;  // Pointer to xyz[0] in first Point
    std::ptrdiff_t stride; // Set to sizeof(Point)
    std::ptrdiff_t len;    // Number of contiguous Point
};

我可以用标准 C++ 安全地访问每个点的坐标吗？在我看来，某种形式的字节指针运算是不可避免的。

现在，我像这样读取坐标：

void Interface::process_points()
{
    for (std::ptrdiff_t i = 0; i < len; ++i) {
        const float* const pf = reinterpret_cast<const float*>(reinterpret_cast<const char*>(first_x) + i * stride);
        float x = pf[0];
        float y = pf[1];
        float z = pf[2];
        // do things with x, y, z
    }
}

通过增加别名

char

指针来跳过步幅。目前它似乎工作正常，但是我不知道指针算术和

char

别名的这种混合是否是 C++ 中定义良好的行为。

Answer 1

只有当您的库可以在编译时获取

struct Point

的大小时，才可以以明确定义的方式执行此操作。可以按如下方式完成：

#include <bit>

static constexpr auto POINT_SIZE = ...;
using point_sized_float_array_t = std::array<float, POINT_SIZE / sizeof(float)>;
using point_sized_byte_array_t = std::array<std::byte, POINT_SIZE / sizeof(std::byte)>;

void process_points(const float* points, std::size_t point_count)
{
    const auto points_bytes_ptr = reinterpret_cast<const std::byte*>(points);

    for (std::ptrdiff_t i = 0; i < point_count; ++i)
    {
        const auto point_bytes_ptr = points_bytes_ptr + i * POINT_SIZE;
        point_sized_byte_array_t point_bytes{};

        std::copy_n(points_bytes_ptr, point_bytes.size(), point_bytes.begin());

        const auto point_as_floats = std::bit_cast<point_sized_float_array_t>(point_bytes);

        const float x = point_as_floats[0];
        const float y = point_as_floats[1];
        const float z = point_as_floats[2];
    }
}

要点

1. 唯一使用的

   reinterpret_cast

   是

   reinterpret_cast<const std::byte*>()

   ，以后可以安全地访问。这是类字节类型（

   char

   、

   unsigned char

   、

   std::byte

   ）所特有的，因为从

   reinterpret_cast

   的结果读取值到（几乎）任何其他类型都会导致未定义的行为。

2. std::bit_cast

   用于将字节数组转换为浮点数组。只要源类型和目标类型具有相同的大小并且可以轻松复制，这就是安全且定义良好的。可以安全地读取转换的结果，因为它创建值的副本，而不是引用，因此避免与严格的别名规则发生冲突。

3. 因此，可以读取

   x

   、

   y

   和

   z

   中保留的值，并且程序不会导致未定义的行为。然而，重要的是要记住，这些值的正确性实际上可能并不能得到保证。这就是说，如果您正在运行一些奇异的编译器或操作系统，您可能会得到垃圾值。