指针/整数算法(Un)定义的行为

Question

我有以下函数模板：

template <class MostDerived, class HeldAs>
HeldAs* duplicate(MostDerived *original, HeldAs *held)
{
  // error checking omitted for brevity
  MostDerived *copy = new MostDerived(*original);
  std::uintptr_t distance = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(held) - reinterpret_cast<std::uintptr_t>(original);
  HeldAs *copyHeld = reinterpret_cast<HeldAs*>(reinterpret_cast<std::uintptr_t>(copy) + distance);
  return copyHeld;
}

其目的是复制特定类型的对象，并将其“持有”返回给与输入相同的子对象。请注意，原则上，HeldAs可以是MostDerived的一个模棱两可或不可访问的基类，所以这里没有强制转换可以帮助您。

这是我的代码，但它可以用于我无法控制的类型(即我不能修改MostDerived或HeldAs)。该职能有以下先决条件：

• *original是动态类型的MostDerived
• HeldAs是MostDerived或MostDerived的直接或间接基类(忽略cv-限定)。
• *held指的是*original或它的基类子对象之一。

让我们假设先决条件已经满足了。在这种情况下，duplicate是否有明确的行为？

C++11 expr.reinterpret.cast说(大胆强调我的观点)：

4指针可以显式转换为任何足以容纳指针的整型。映射函数是实现定义的。注意:对于那些知道底层机器的寻址结构的人来说，这并不令人惊讶。-end笔记..。 5积分类型或枚举类型的值可以显式转换为指针。一个指针转换成一个足够大小的整数(如果在实现中存在这样的话)，并返回到相同的指针类型，它将有它的原始值；指针和整数之间的映射是实现定义的。注意:除3.7.4.3中描述的情况外，这种转换的结果将不是安全派生的指针值。-end注记

好吧，假设我的编译器是GCC (或者说Clang，因为它使用GCC对实现定义的行为的定义)。引用GCC博士第五章关于C++实现的定义行为：

..。C语言的相应文档中记录了一些选择。见C执行情况。..。

关于第4.7章 (C实现、数组和指针)：

将指针转换为整数的结果，反之亦然(C90 6.3.4、C99和C11 6.3.2.3)。 从指针到整数的转换将丢弃大多数重要位(如果指针表示大于整数类型)，如果指针表示小于整数类型，则扩展符号，否则比特将保持不变。 从整数到指针的转换如果指针表示小于整数类型，则丢弃最重要的位；如果指针表示大于整数类型，则根据整数类型的签名性进行扩展，否则比特不变。

到现在为止还好。看来，由于我使用的std::uintptr_t保证足够大，可以用于任何指针，而且由于我处理的是相同的类型，所以copyHeld应该指向与held在*original中指向的相同的*copy子对象。

不幸的是，GCC的文档中还有一个段落：

当再次将指针转换为整数和返回时，结果指针必须引用与原始指针相同的对象，否则行为将不定义。也就是说，不能使用整数算法来避免C99和C11 6.5.6/8中禁止的指针算术的未定义行为。

沃姆。因此，现在看来，尽管copyHeld的值是按照前两段的规则计算的，但第三段仍然将其发送到未定义的行为域。

我基本上有三个问题：

1. 我的阅读是否正确，duplicate的行为是否未定义？
2. 这是哪种不明确的行为？“形式上不确定，但无论如何都会做你想做的”那类，还是“期望随机的碰撞和/或自发的自焚”？
3. 如果它确实是未定义的，那么是否有一种方法可以以一种定义良好(可能依赖编译器)的方式来完成这样的事情？

虽然我的问题仅限于GCC (和Clang)在编译器方面的行为，但我希望得到一个考虑各种HW平台的答案，从普通的桌面到异国风格的桌面。

Answer 1

通常的模式是在基类中放置一个clone()。

然后，每个派生类都可以实现自己版本的克隆。

class Base
{
     public:
        virtual Base*  clone() = 0;
};

class D: public Base
{
        virtual Base*  clone(){  return new D(*this);}
};