在不同限定的结构成员上使用 reinterpret_cast 安全吗？

Question

_{我查看了以下相关的问题，其中 none 似乎解决了我的确切问题：one, two, .}

我正在编写一个集合，其中的元素（键值对）与一些簿记信息一起存储：

struct Element {
    Key key;
    Value value;
    int flags;
};

std::vector<Element> elements;

（为简单起见，假设 Key 和 Value 都是标准布局类型。该集合无论如何都不会与任何其他类型一起使用。）

为了支持基于迭代器的访问，我编写了覆盖 operator-> 和 operator* 到 return 的迭代器，分别向用户提供指针和引用键值对。但是，由于集合的性质，永远不允许用户更改 returned 密钥。为此，我声明了一个 KeyValuePair 结构：

struct KeyValuePair {
    const Key key;
    Value value;
};

我已经在迭代器上实现了 operator->，如下所示：

struct iterator {
    size_t index;

    KeyValuePair *operator->() {
        return reinterpret_cast<KeyValuePair *>(&elements[index]);
    }
};

我的问题是：reinterpret_cast 的这种用法是定义明确的，还是调用了未定义的行为？我试图解释标准的相关部分并检查了有关类似问题的问题的答案，但是，我未能从中得出明确的结论，因为……:

这两种结构类型共享一些初始数据成员（即 key 和 value），仅在 const 限定上有所不同；
标准没有明确说明 T 和 cv T 是布局兼容的，但也没有相反的说明；此外，它还规定它们应该具有相同的表示和对齐要求；
两个标准布局 class 类型共享一个共同的初始序列，如果第一个但许多成员具有布局兼容的类型；
对于包含共享公共初始序列的 class 类型成员的联合类型，允许使用任一联合成员 (9.2p18) 检查此类初始序列的成员。 – 对于 reinterpret_casted 指向结构的指针共享一个公共初始序列，没有类似的明确保证。 – 但是，可以保证指向结构的指针指向其初始成员 (9.2p19)。

仅使用这些信息，我发现无法推断 Element 和 KeyValuePair 结构是否共享一个共同的初始序列，或者是否有任何其他共同点可以证明我的 reinterpret_cast.

顺便说一句，如果您认为为此目的使用 reinterpret_cast 是不合适的，而且我确实面临 XY 问题，因此我应该简单地做一些其他事情来实现我的目标，请告诉我。

Answer 1

My question is: is this use of reinterpret_cast well-defined, or does it invoke undefined behavior?

reinterpret_cast 在这里是错误的方法，你只是违反了严格的别名。 reinterpret_cast和union在这里出现分歧有点令人费解，但是这种情况的措辞非常清楚。

这样简单地定义联合可能会更好：

union elem_t {
   Element e{}; KeyValuePair p;
   /* special member functions defined if necessary */
};

... 并将其用作矢量元素类型。请注意，在确定布局兼容性时忽略 cv 限定 - [basic.types]/11:

Two types cv1 T1 and cv2 T2 are layout-compatible types if T1 and T2 are the same type, […]

因此 Element 和 KeyValuePair 确实共享一个共同的初始序列，并且访问 p 的相应成员，前提是 e 是活动的，是明确定义的.

另一种方法：定义

struct KeyValuePair {
    Key key;
    mutable Value value;
};

struct Element : KeyValuePair {
    int flags;
};

现在提供一个迭代器，它简单地包装向量中的 const_iterator 并向上转换要公开的 references/pointers。 key 不可修改，但 value 可以。

Is this use of reinterpret_cast on differently-qualified struct members safe?