C++中placement new存储复用合法性判定：哪些对象创建合法？

C++标准的多处条款提及了存储复用（storage reuse），例如对象生命周期相关的规则。但我们常难以明确区分存储复用与非法对象创建的边界，以下通过代码示例分析具体场景：

#include <cstddef>
#include <cstdint>
#include <new>

int main() {
    std::byte storage[10000];
    std::int32_t *po0 = new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t)) std::int32_t;
    // 是否复用了po0的存储？
    std::int16_t *po1 = new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t)) std::int16_t;
    // std::int64_t *po2 = new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t)) std::int64_t;
    // std::int16_t *po3 =
    //     new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t) + sizeof(std::int8_t))
    //         std::int16_t;
    // std::int32_t *po4 =
    //     new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t) + sizeof(std::int32_t))
    //         std::int32_t;
    // std::int32_t *po5 =
    //     new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t) - sizeof(std::int16_t))
    //         std::int32_t;
    // std::int64_t *po6 =
    //     new (storage + 2 * sizeof(std::int32_t) - sizeof(std::int16_t))
    //         std::int64_t;
}

前提说明 #

• 为简化问题，未考虑对齐问题，仅关注新对象的创建位置（原对象之前、相同位置、内部）及与原对象的重叠情况。
• 示例使用整数类型，但可替换为任意类型。
• 假设仅创建po1至po6中的一个对象。

问题 #

通过placement new创建的这6个对象中，哪些是合法的、属于存储复用且会终止*po0的生命周期？

场景图示 #

分析结论 #

以下基于C++对象生命周期与存储复用的规则分析每个对象：

• po1：合法，属于存储复用，会终止*po0的生命周期。新对象起始地址与po0完全相同，存储范围覆盖po0的前半部分，复用了po0的部分存储区域，触发原对象生命周期终止。
• po2：合法，属于存储复用，会终止*po0的生命周期。新对象起始地址与po0相同，存储范围完全包含po0的全部存储，完全复用原对象的存储区域，直接终止其生命周期。
• po3：合法，属于存储复用，会终止*po0的生命周期。新对象的存储完全位于po0的存储范围内，与原对象部分重叠，复用了po0的中间存储区域，导致原对象生命周期终止。
• po4：合法，但不属于存储复用，不会终止*po0的生命周期。新对象的存储与po0的存储完全不重叠，未复用原对象的任何存储区域，po0的生命周期不受影响。
• po5：合法，属于存储复用，会终止*po0的生命周期。新对象的起始地址在po0之前，存储范围与po0的前半部分重叠，复用了po0的部分存储区域，触发原对象生命周期终止。
• po6：合法，属于存储复用，会终止*po0的生命周期。新对象的起始地址在po0之前，存储范围完全包含po0的全部存储，复用了原对象的存储区域，终止其生命周期。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Oersted