libstdc++中std::compare_three_way指针转换及对比的实现疑问

问题 #

下面是libstdc++里std::compare_three_way的实现代码，想请教三个问题：

1. 两处reinterpret_cast<__UINTPTR_TYPE__>的设计依据是什么？
2. 为什么常量求值上下文里能直接比较void*，但运行时必须转成__UINTPTR_TYPE__再比？
3. 既然reinterpret_cast不属于常量表达式，为什么运行时非得用这个转换？

if constexpr (__detail::__3way_builtin_ptr_cmp<_Tp, _Up>)
  {
    auto __pt = static_cast<const volatile void*>(__t);
    auto __pu = static_cast<const volatile void*>(__u);
    if (__builtin_is_constant_evaluated())
      return __pt <=> __pu;
    auto __it = reinterpret_cast<__UINTPTR_TYPE__>(__pt);
    auto __iu = reinterpret_cast<__UINTPTR_TYPE__>(__pu);
    return __it <=> __iu;
  }
else
  return static_cast<_Tp&&>(__t) <=> static_cast<_Up&&>(__u);

解答 #

1. reinterpret_cast<__UINTPTR_TYPE__>的设计依据 #

C++标准明确规定：只有指向同一数组的元素、或者同一对象的子对象/成员的指针，直接用<=>或<这类运算符比较才是有定义的行为。如果是两个完全无关的指针（比如分别指向堆上两个独立对象），直接比较void*的结果是未定义的。

而__UINTPTR_TYPE__是编译器实现的、和指针宽度匹配的无符号整数类型（通常对应标准里的uintptr_t）。标准保证任何能转成void*的指针，都可以安全转成这个整数类型，转回去也能得到原指针。把指针转成整数后再比较，结果完全合法且稳定——不管指针指向什么，整数比较都能给出确定的全序关系，刚好满足std::compare_three_way对指针类型的要求：必须提供全序比较，而非标准限定的有限合法场景。

2. 常量求值与运行时的差异 #

在常量求值上下文（比如编译期计算常量表达式）里，编译器处理的都是编译期地址已知的对象，比如全局变量、静态变量。这些对象的地址在编译阶段就确定了，此时直接比较void*的行为是编译器可以明确处理的，不会出现未定义行为，所以直接用__pt <=> __pu没问题。

但运行时就不一样了：指针可能指向栈内存、动态分配的堆内存，这些地址编译期根本没法确定。如果这时候直接比较两个无关的void*，就触发了标准里的未定义行为——不同编译器可能给出不同结果，甚至程序崩溃。转成整数后比较就能避开这个坑，得到一致的结果。

3. 运行时必须用reinterpret_cast的原因 #

首先，reinterpret_cast不能出现在常量表达式里，但这里的转换是放在__builtin_is_constant_evaluated()为false的分支里——也就是说，只有在运行时才会执行这段代码，常量求值的时候根本不会走到这里，完全不违反常量表达式的规则。

其次，运行时必须用这个转换，核心原因就是避免直接比较无关指针的void*带来的未定义行为，同时通过整数比较提供std::compare_three_way要求的全序关系。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者florestan