C++中分离分配与初始化的实现是否会引发未定义行为？

以下是待分析的代码：

#include <new>
#include <utility>

template<typename T>
T Uninitialized()
{
    alignas(T) char bytes[sizeof(T)];
    return std::forward<T>(*(T*)(void*)(&bytes));
}

template<typename T>
T ZeroInitialized()
{
    alignas(T) char bytes[sizeof(T)] = {};
    return std::forward<T>(*(T*)(void*)(&bytes));
}

struct S
{
    char c = 1;
};

int main()
{
    // 尝试延迟（或跳过）栈变量的构造
    S sU = Uninitialized<S>();
    S sZ = ZeroInitialized<S>();
    {
        // 注：如果不用 placement new，sU 和 sZ 的析构函数会在此块作用域结束，以及 main 结束时各调用一次
        new (&sU) S();
        new (&sZ) S();
    }

    return 0;
}

UBSan未检测出问题，但这并不代表代码一定正确。

核心问题分析 #

这段代码存在多处未定义行为，具体如下：

1. 模板函数绕过构造函数访问"伪对象"

   • Uninitialized和ZeroInitialized仅分配了对齐内存，从未调用T的构造函数，就直接把内存强制转换为T*并解引用。根据C++标准，对象的生命周期从构造函数执行完成才开始，直接将一块内存当作已构造对象访问，本质是在访问"不存在"的对象，属于未定义行为。
   • 对于带默认成员初始化的S，ZeroInitialized把零初始化的内存直接当作S对象，完全绕过了S中c = 1的默认初始化逻辑，违反了对象构造的标准要求。

2. 读取未初始化内存并拷贝对象

   • Uninitialized里的bytes数组未初始化，解引用转换后的T*并返回时，会触发T的拷贝构造，过程中会读取未初始化的内存内容（比如S的c成员是随机值）。C++标准明确禁止读取未初始化内存，这类操作属于未定义行为。

3. 重复构造对象且未析构旧对象

   • main中sU和sZ已经通过拷贝初始化创建（尽管是非法创建的对象），之后又用placement new在同一地址上再次构造S对象。标准规定，在已构造的对象地址上执行placement new前，必须先析构原对象，否则属于未定义行为——即便S的析构函数是平凡的，编译器也无法保证操作安全。

4. 析构非法状态的对象

   • main结束时，sU和sZ会被自动析构，但这两个对象全程处于非法状态（要么是未合法构造的拷贝，要么是被覆盖的旧对象），析构这类对象同样会导致未定义行为。

相关讨论核心总结 #

• 拷贝含未初始化成员的结构体：即便结构体类型简单，读取未初始化内存进行拷贝的操作也属于未定义行为，标准不允许此类操作。
• 绕过构造函数的合法性：C++要求对象必须经过构造才能进入生命周期，任何绕过构造函数直接访问内存区域的行为，都属于访问不存在的对象，必然是未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Zaaier