将weak_ptr<SomeThing>*转void*再转回weak_ptr<void*>是否合法？能否用统一Lua __gc回调？

我在程序中嵌入了Lua脚本，让Lua管理某些std::shared_ptr和std::weak_ptr的生命周期。具体实现是在Lua管理的内存（userdata）中构造这些指针，当Lua准备对该内存做垃圾回收时，会传入指向该内存的void*，我可以在内存释放前把void*转换回对应的指针并调用reset()方法。

现在的疑问是：能不能给所有类型的std::weak_ptr共用同一个垃圾回收回调（Lua的__gc元方法）？这需要把void*直接static_cast成std::weak_ptr<void>*，但这块内存最初构造的是std::weak_ptr<Something>类型。这种操作合法吗？

原始代码片段 #

创建userdata并构造weak_ptr：

void* p = lua_newuserdatauv(L,sizeof(std::weak_ptr<asio::io_service::strand>),0);
new(p) std::weak_ptr<asio::io_service::strand>(pSyncStrand);
luaL_getmetatable(L, "std_weak_ptr");
lua_setmetatable(L, -2);

对应的__gc元方法：

luaL_newmetatable(L,"std_weak_ptr");
lua_pushcfunction(L, [](lua_State* const L) -> int
    {
        auto weak_ptr = static_cast<std::weak_ptr<void>*>(lua_touserdata(L,1));
        weak_ptr->reset();
        return 0;
    });
lua_setfield(L,-2,"__gc");

测试显示这段代码能运行，但我想确认它是否属于未定义行为，或者是否依赖具体实现？还是说必须为每个weak_ptr的类型变体单独创建元表？

编辑后更新的代码 #

基于建议，我把__gc例程改成销毁weak_ptr而非仅调用reset()：

luaL_newmetatable(L,"std_weak_ptr_void");
lua_pushcfunction(L, [](lua_State* const L) -> int
    {
        auto weak_ptr = static_cast<std::weak_ptr<void>*>(lua_touserdata(L,1));
        std::destroy_at(weak_ptr);
        return 0;
    });
lua_setfield(L,-2,"__gc");

存储指针的方式改为：

void* p = lua_newuserdatauv(L,sizeof(std::weak_ptr<void>),0);
new(p) std::weak_ptr<void>(pSyncStrand);
luaL_getmetatable(L, "std_weak_ptr_void");
lua_setmetatable(L, -2);

使用时的代码：

auto ppSync = static_cast<std::weak_ptr<void>*>(lua_touserdata(L, lua_upvalueindex(1)));
auto pSync = std::static_pointer_cast<asio::io_service::strand>(ppSync->lock());

首先明确：原始代码的做法属于未定义行为，不能直接把std::weak_ptr<Something>*通过static_cast转换成std::weak_ptr<void>*来操作。

原因在于，C++标准并未规定不同模板实例化的std::weak_ptr类型之间有布局兼容性。虽然在很多编译器实现中，不同类型的std::weak_ptr可能有着相同的内存布局，但这只是具体实现的巧合，并非标准要求。依赖这种行为的代码，在不同编译器、不同版本的标准库下可能出现崩溃、内存泄漏或其他不可预测的问题。

而你编辑后的代码是合法且安全的，理由如下：

1. 你统一在userdata中构造std::weak_ptr<void>，而非具体类型的weak_ptr。std::weak_ptr支持从任意类型的std::shared_ptr/std::weak_ptr隐式转换为std::weak_ptr<void>，这是标准允许的操作。
2. 在__gc回调中，你操作的是真正构造在该内存上的std::weak_ptr<void>对象，使用std::destroy_at正确销毁它，符合对象的生命周期管理要求。
3. 使用时通过std::static_pointer_cast将std::shared_ptr<void>转换回原类型，这也是标准允许的安全操作，前提是转换的目标类型与原始shared_ptr管理的对象类型一致。

这种统一用std::weak_ptr<void>的方式，完全可以用同一个元表和__gc回调来管理所有类型的weak_ptr，无需为每个类型单独创建元表，既保证了代码的合法性，也简化了实现。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Neil Stephens