在C++中返回伪对象引用的规则

Question

我想用一个自定义容器遍历一个预先分配的浮点数组，该容器不拥有数据，但作用于其中的一段。例如，将容器类命名为LinhaSobre:

std::unique_ptr<float[]> data(new float[720]);
...
//creates container to iterate 26 floats starting from from data[12]
    LinhaSobre cont(data.get()+12, 26); 
//sets those elements to 1.5
    for(size_t i = 0; i < cont.size(); i++)
        cont[i] = 1.5f;

以下是operator[]:的可能实现

//...
//LinhaSobre has a member mem0 which is initialized
//as a pointer to where the interval starts
float & LinhaSobre::operator[] (size_t i)
{
    return *(mem0+i);
}

请注意，我将从LinhaSobre::operator[]返回一个对它不拥有的数据的引用。它不应该干扰数据的生存期（构造函数、析构函数）。

现在，我想通过另一种模式std::array<float,4>公开存储的data，而不是纯的float。示例，命名新类LinhaSobre4f:

std::unique_ptr<float[]> data(new float[720]);
...
//creates container to iterate 4 array<float, 4> starting from from data[12]
    LinhaSobre4f l(data.get()+(3*4), 4);
//sets those elements to {1.5f, 2.5f, 3.5f, 4.5f};
    for(size_t i = 0; i < l.size(); i++)
        l[i] = { {1.5f, 2.5f, 3.5f, 4.5f} };

请注意，我将这些项视为一个数组。这将导致容器类的一些更改，我主要关心的是operator[]，下面是完整的类代码：

struct LinhaSobre4f
{
    LinhaSobre4f(float * pos_begin, size_t size_):
        pos0(pos_begin),
        size_(size_){}
    std::array<float, 4> & operator[](size_t i)const
    {
        std::array<float,4> * r = 
            reinterpret_cast<std::array<float,4>*> (pos0+(4*i));
        return *r;
    }
    size_t size()const
    {
        return size_;
    }
private:
    float * pos0;
    size_t size_;
};

operator[]返回对被视为std::array<float,4>的内存块的引用，该内存块从未真正存在过，但在std::array内存布局保证的情况下，它可以工作。我对此持怀疑态度，可以吗？（除了内存对齐，我保证）。我可以从语义上公开这样的对象吗？正确的术语是什么？（我在标题中使用了假对象）。

下面是该示例的现场演示。这是另一个（另一个链接有时会失败）

Answer 1

C++标准（我正在阅读C++11）定义std::array如下：

应满足骨料的条件（8.5.1）。

不能保证std::array是POD。C++标准只保证它是一个类聚合。

基于此，我认为您使用reinterpret_cast将floats的POD数组转换为std::array是未定义的行为。

它很可能与编译器一起工作，但不能保证它是可移植的或合法的。

Answer 2

您可以创建一个普通的旧reference_type:

struct LinhaSobre4f {
    struct Ref {
        Ref(float *m): m(m){};
        Ref &operator=(std::initializer_list<float> const &l) {
            std::copy(l.begin(), l.end(), m);
            return *this;
        }
    private:
        float *m;
    };
    Ref operator[](size_t i) { return m + 4 * i; }
private:
    float *m;
};

Answer 3

再加上Sam Varshavchik的回答，您可能会对span类型（以前称为array_view）感兴趣。

span类型是一种抽象，它提供了对连续对象序列的视图，对象序列的存储由其他对象所有（更多详细信息，请参阅P0122R1，CppCoreGuidelines和Guidelines Support Library Review：span<T>）。

从概念上讲，span只是指向某个存储的指针和可通过该指针访问的元素的计数。它太小了，可以通过值传递。

开放源代码（仅限标头）的引用实现可在https://github.com/Microsoft/GSL（该实现通常假设一个实现C++14支持的平台。有特定的解决方案来支持MSVC 2013和2015）。