為什么需要 std::launder？

在 C++ 語言的運行機制中，編譯器會依據(jù)源代碼的邏輯來構建內存模型。這個內存模型詳細描述了對象在內存中的具體布局以及它們的生命周期。基于這個內存模型，編譯器會進行一系列的優(yōu)化操作，其中比較常見的就是消除冗余的內存訪問，以此來提高程序的運行效率。

然而，當程序中使用 reinterpret_cast 或者其他特殊的方式對對象進行重新表示時，就可能會打破編譯器原有的內存模型假設。例如，在 C++ 中，我們可以使用 placement new 操作符在已有的內存位置上創(chuàng)建一個新的對象。在這種情況下，編譯器可能無法及時察覺到對象的類型已經(jīng)發(fā)生了改變。如果此時直接通過舊的指針去訪問新創(chuàng)建的對象，由于編譯器依據(jù)舊的內存模型進行操作，就可能會導致錯誤的結果，甚至引發(fā)程序崩潰。這種錯誤的根源就在于程序的行為違反了編譯器的預期，從而導致了未定義行為的出現(xiàn)。

std::launder 的作用就在于它能夠向編譯器明確傳達一個信息：“我已經(jīng)對對象的表示進行了改變，請放棄之前基于舊對象表示所做出的假設，并根據(jù)新的對象表示重新進行優(yōu)化。” 這樣一來，編譯器就可以依據(jù)新的情況進行合理的優(yōu)化，從而有效地避免未定義行為的發(fā)生，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。

std::launder 的定義與用法

std::launder 在 C++17 標準中的定義如下：

template <class T>
constexpr T* launder(T* p) noexcept;    // C++17 起

從定義可以看出，std::launder 是一個模板函數(shù)，它接受一個類型為 T* 的指針 p 作為參數(shù)，并返回一個同樣類型為 T* 的指針。其具體的作用是返回一個指向位于 p 所表示地址的對象的指針。

在使用 std::launder 時，開發(fā)者需要嚴格注意以下幾個重要的條件：

• 對象必須處于生存期內：std::launder 只能用于訪問那些處于有效生命周期內的對象。如果嘗試使用 std::launder 去訪問一個已經(jīng)析構或者尚未創(chuàng)建完成的對象，那么將會導致未定義行為。
• 類型匹配：目標對象的類型必須與模板參數(shù) T 相同，這里需要注意的是，std::launder 會忽略 cv 限定符（const 和 volatile 限定符）。也就是說，無論對象是 const 類型還是 volatile 類型，只要其實際類型與模板參數(shù) T 一致，就可以使用 std::launder 進行處理。
• 可觸及性：通過 std::launder 操作返回的結果指針可觸及的每個字節(jié)，也必須可以通過原始指針 p 觸及。這意味著在使用 std::launder 時，不能改變指針所指向的內存區(qū)域的可訪問性。如果違反了這個條件，std::launder 的行為將是未定義的。

如果上述這些條件中的任何一個不滿足，std::launder 的行為就無法得到保證，可能會引發(fā)難以預料的錯誤。

典型使用場景

1. 處理 placement new 創(chuàng)建的新對象

當我們使用 placement new 在某個已有的內存位置上創(chuàng)建一個新的對象時，原有的指針可能無法正確地訪問新創(chuàng)建的對象。在這種情況下，std::launder 就可以發(fā)揮其重要作用，用來獲取指向新對象的有效指針。

以下是一個具體的示例代碼：

struct X { 
    const int n; 
    double d; 
};
X* p = new X{7, 8.8};
new (p) X{42, 9.9};  // 在 p 的位置創(chuàng)建一個新對象
int i = std::launder(p)->n;  // OK，i 是 42
auto d = std::launder(p)->d; // OK，d 是 9.9

在上述代碼中，首先通過 new 操作符創(chuàng)建了一個 X 類型的對象，并將其指針賦值給 p。然后，使用 placement new 在 p 所指向的內存位置上創(chuàng)建了一個新的 X 類型的對象。此時，如果不使用 std::launder，直接通過 p 去訪問新對象的成員，將會導致未定義行為。而通過 std::launder(p) 來獲取指向新對象的指針，就可以正確地訪問新對象的成員，確保程序的行為是可預測的。

2. 處理虛函數(shù)表的更新

在涉及虛函數(shù)的場景中，當對象的類型發(fā)生改變時，可能會導致虛函數(shù)表（vtable）的更新。在這種情況下，std::launder 可以確保通過正確的指針來訪問新的虛函數(shù)表，從而避免未定義行為的發(fā)生。

下面是一個具體的示例：

struct A { 
    virtual int transmogrify(); 
};
struct B : A { 
    int transmogrify() override { 
        new(this) A; 
        return 2; 
    } 
};
int A::transmogrify() { 
    new(this) B; 
    return 1; 
}
A i;
int n = i.transmogrify();  // 調用 A::transmogrify，創(chuàng)建一個 B 對象
int m = std::launder(&i)->transmogrify(); // OK，調用 B::transmogrify

在這個示例中，A 類和 B 類是繼承關系，并且都定義了虛函數(shù) transmogrify。在 A::transmogrify 函數(shù)中，使用 placement new 將 A 類型的對象轉換為 B 類型的對象；在 B::transmogrify 函數(shù)中，又將 B 類型的對象轉換回 A 類型的對象。在調用 transmogrify 函數(shù)后，如果不使用 std::launder，直接通過 &i 調用 transmogrify 函數(shù)，由于虛函數(shù)表已經(jīng)發(fā)生了變化，將會導致未定義行為。而通過 std::launder(&i) 來獲取正確的指針，就可以確保調用到正確的虛函數(shù)，保證程序的正確運行。

3. 在類似 std::optional 的場景中

在類似 std::optional 的實現(xiàn)中，std::launder 可以確保通過成員指針訪問新對象時的行為是正確的。std::optional 是 C++17 中引入的一個非常實用的類型，它可以用來表示一個可能存在也可能不存在的值。

以下是一個簡化的 std::optional 實現(xiàn)示例：

template<typename T>
class optional {
private:
    T payload;
public:
    template<typename... Args>
    void emplace(Args&&... args) {
        payload.~T();
        ::new (&payload) T(std::forward<Args>(args)...);
    }
    const T& operator*() const & {
        return *(std::launder(&payload)); // 使用 std::launder 確保訪問新對象
    }
};

在上述代碼中，optional 類的 emplace 函數(shù)用于在 payload 成員上創(chuàng)建一個新的對象。在 operator* 函數(shù)中，通過 std::launder(&payload) 來獲取指向新對象的正確指針，從而確保在訪問 payload 成員時的行為是正確的，避免了未定義行為的出現(xiàn)。

總結

std::launder 是 C++17 標準引入的一個非常強大且實用的工具。它通過向編譯器明確告知對象的重新表示，有效地幫助開發(fā)者避免了在復雜內存操作場景中可能出現(xiàn)的未定義行為。在涉及 placement new、虛函數(shù)表更新或者類似 std::optional 的實現(xiàn)等場景中，std::launder 都能夠發(fā)揮其重要的作用，確保程序的正確性和穩(wěn)定性。

然而，需要明確的是，std::launder 并不是一個萬能的解決方案，它并不能解決所有與指針相關的問題。它的使用需要開發(fā)者在滿足特定條件的情況下謹慎進行，充分理解其工作原理和使用限制。

總之，std::launder 作為現(xiàn)代 C++ 中的一個重要特性，對于提高 C++ 程序的質量和可靠性具有重要的意義，值得每一個 C++ 開發(fā)者深入了解和熟練掌握。希望本文能夠幫助讀者更好地理解 std::launder 的作用和用法。如果讀者對這個話題感興趣，建議深入閱讀 C++17 的相關標準文檔，或者在實際的項目中嘗試應用這個特性，以加深對其的理解和掌握。
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