为何将union成员指针转为union指针并非UB？二者大小不同

问题代码 #

class A {
public:
  int x;
  A() {
    x = 5;
  }
};

class B {
public:
  int x;
  float y;
  B() {
    x = 10;
    y = 3.14;
  }
};

union U {
  A a;
  B b;
};

U* foo(U* u) {
  B* b = new B();
  u->b = *b;
  return u;
}

int main() {
  A* a  = new A();
  U* u = (U*) a;
  u = foo(u);
  return u->b.y;
}

核心疑问 #

这段代码执行u->b = *b;时会出现缓冲区溢出。查阅资料得知(U*)a这类转换应为良定义，但因sizeof(U) != sizeof(A)对此存疑；同时不确定U与A是否为指针可互转（pointer-interconvertible）类型，以及这是否意味着转换合法，难以理解相关C++标准。

问题解答 #

1. 指针转换的合法性判定
   C++标准中，只有两个类型属于指针可互转类型时，这类强制转换（C风格转换等价于reinterpret_cast）才是良定义的。指针可互转的场景包括：

   • 同一类型的对象指针
   • 标准布局类型的非静态数据成员指针与所属对象指针
   • 标准布局联合体的成员指针与所属联合体对象指针

   但这里的情况完全不符合：A对象是单独new出来的，并非联合体U的成员，所以A*转U*不属于合法的指针互转场景，本质是未定义行为。

2. sizeof不匹配直接导致溢出
   联合体的大小由其最大成员决定，sizeof(U)等于sizeof(B)（假设int为4字节、float为4字节，总大小8字节），而sizeof(A)仅为4字节。将仅分配了4字节内存的A对象强制转为U*后，访问并写入U::b（需要8字节内存）必然会越界，这就是缓冲区溢出的直接原因。

3. 对“转换良定义”的误区
   部分资料提到的合法转换，指的是当联合体对象的活跃成员是某一成员时，该成员指针与联合体指针可安全互转（比如拥有一个U对象且活跃成员是a，此时U*和A*可互转）。但单独的A对象并非U的成员，完全不适用这个规则。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者vwvw