标准C++中通过字节指针递增处理跨步数组是否安全？

问题背景 #

我编写了一个库，其接口需要引用客户端的坐标数据。客户端需提供一组点，每个点包含3个连续的float类型数据。我采用跨步数组表示法，以便客户端可继续使用自有数据类型。

假设客户端内部使用以下对库不可见的Point结构体：

struct Point {
    float xyz[3];
    CustomData data;
    // 更多成员数据
};

客户端将若干Point存储在连续内存中，并向库传递如下接口信息：

struct Interface {
    const float* first_x;  // 指向第一个Point的xyz[0]
    std::ptrdiff_t stride; // 设置为sizeof(Point)
    std::ptrdiff_t len;    // 连续存储的Point数量
};

核心疑问 #

我能否在标准C++中安全访问每个点的坐标？似乎不可避免要进行某种字节层面的指针算术操作。目前我通过如下方式读取坐标：

void Interface::process_points()
{
    for (std::ptrdiff_t i = 0; i < len; ++i) {
        const float* const pf = reinterpret_cast<const float*>(reinterpret_cast<const char*>(first_x) + i * stride);
        float x = pf[0];
        float y = pf[1];
        float z = pf[2];
        // 使用x、y、z执行处理逻辑
    }
}

我通过递增char类型的别名指针来跳过跨步，目前运行正常，但不确定这种指针算术与char别名的混合操作在标准C++中是否属于定义良好的行为。

解答 #

你的实现是符合标准C++定义的安全行为，具体依据如下：

• char指针的合法性：标准C++明确允许使用char或unsigned char类型的指针访问任意对象的字节表示，且对char指针进行算术操作时，只要偏移范围不超出目标内存块的边界（客户端保证是连续的Point数组，总内存长度为len * stride，循环内的i * stride不会超出该范围），操作就是合法的。
• 类型转换的合法性：将char*转换回float*是合法的，前提是转换后的指针指向的内存确实是float类型对象的起始位置——客户端的Point结构体中xyz是连续的float数组，因此pf指向的内存是有效的float对象，访问pf[0]、pf[1]、pf[2]完全合规。
• 严格别名规则的合规性：严格别名规则禁止用非char类型的指针跨类型访问对象，但此处我们先用char*完成跨步偏移，再转换回原类型（float*），且目标内存原本就是float数组的一部分，因此不违反严格别名规则。

需要客户端配合的约束：

• 必须保证stride的值为sizeof(Point)，且first_x确实指向第一个Point的xyz[0]；
• 必须保证xyz数组的内存对齐符合float的要求——由于Point结构体中xyz是自然对齐的，因此转换后的float*必然满足对齐要求，不会触发未对齐访问的未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者drex