成员函数指针转换逻辑看似合理却出错？标准与编译器表现解析

问题场景 #

原本认为在C中，将B类的成员函数指针转换为C类成员函数指针后，再转为A类成员函数指针，只要调用目标是C类实体就可以正常运行，但实际运行出现崩溃。经测试：MSVC、GCC编译时报错，Clang编译通过但运行崩溃。请问这属于编译器bug还是未定义行为？C标准对此场景是否有详细说明？

示例代码 #

#include <iostream>
struct A
{
    char i[7];
    void test1(){
        std::cout << __LINE__;
    }
};

struct B
{
    char i[14];
    virtual void test(){
        std::cout << __LINE__;
    }
};

struct C:A,B
{
    char i[31];
};

using T = void (C::*)();

int main()
{
    C c;
    (c.*T(&B::test))();//正常运行
    (c.*static_cast<decltype(&A::test1)>(T(&B::test)))();//崩溃
    return 0;
} 

解答 #

这是未定义行为，不是编译器bug #

C++标准对成员函数指针的转换有严格限制，你的代码中存在非法的跨无关基类成员指针转换，具体原因如下：

• 合法的成员指针转换范围
  根据C++标准，static_cast用于成员函数指针转换时，仅允许在同一继承链的类之间进行：

  • 可将派生类的成员函数指针转换为其直接/间接基类的成员函数指针（前提是基类中存在该成员，且转换符合继承规则）；
  • 反之，也可将基类的成员函数指针转换为其直接/间接派生类的成员函数指针（如代码中&B::test转T（C::*）这一步是合法的，因为C继承自B）。

• 非法转换的本质
  代码中第二步，将C::*类型的成员指针转换为A::*类型是非法的：A和B是C的两个独立基类，彼此之间没有继承关系，它们的成员函数指针属于完全无关的类型。这种跨无关类的成员指针转换不在标准允许的范围内，属于未定义行为。

• 编译器差异的原因

  • MSVC和GCC在编译阶段就检测到这种非法转换，直接抛出错误，这是符合标准的——编译器可以选择诊断这类未定义行为，但不是必须的；
  • Clang允许编译通过，但运行时崩溃是未定义行为的典型表现：编译器不需要强制诊断所有未定义行为，一旦出现，程序的任何行为都是不可预测的（包括崩溃、输出异常结果等）。

C++标准的相关说明 #

C++标准在[expr.static.cast]章节明确规定：

当static_cast用于转换成员指针时，源类型必须是指向派生类成员的指针，目标类型是指向其基类成员的指针，且基类是派生类的直接或间接基类；或者反过来，源类型是指向基类成员的指针，目标类型是指向其派生类成员的指针，且派生类中该成员的声明与基类兼容。
对于无关类之间的成员指针转换，static_cast是不允许的，此类转换属于未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者余国良