placement new复用存储后C++数组的生存期及操作合法性问题

这是此前某问题及其回答的后续内容。

#include <new>

struct A {
    int x{42};
    int y{24};
};
static_assert(sizeof(A) == 2 * sizeof(int));
static_assert(alignof(A) == alignof(int));
int main() {
    int storage[5] = {0, 1, 2, 3, 4};
    ::new (static_cast<void *>(storage + 1)) A;
    // storage及其子对象的生存期状态如何？
    // 指针算术是否仍然有效？

    return *(storage + 4);  // 这一操作是否合法？
}

可在线编译运行验证。

核心问题 #

• 通过placement new复用storage数组的部分存储后，原数组storage是否仍处于生存期？
• 指针算术与解引用操作是否合法？
• 若多次复用同一存储位置，情况又如何？

C++标准中“提供存储”的规则仅将std::byte和unsigned char数组列为可提供存储的例外情况，因此对其他类型数组的行为存在疑问。

另外，关于被A覆盖部分的解引用，此前的回答中用到“可透明替换”的概念做了论证；但如果把A替换为double（暂不考虑对齐问题），该概念就不再适用。

问题解答 #

1. 原数组storage的生存期状态

原数组storage的未被覆盖部分（storage[0]、storage[3]、storage[4]）仍处于正常生存期，但被A对象覆盖的storage[1]和storage[2]这两个int元素的生存期已终止。

根据C++对象生存期规则：当在已有对象的存储位置上创建新对象时，若新对象类型与原对象类型不完全一致，原对象的生存期会被立即终止。数组作为整体，只要其存储未被完全覆盖，未被触及的元素仍保持有效。

2. 指针算术与解引用的合法性

• 未被覆盖区域的操作：*(storage + 4)（即storage[4]）的操作完全合法。该元素未被placement new覆盖，生存期正常，指针算术基于原数组的int类型进行，符合数组指针算术规则，解引用直接指向有效的int对象。
• 被覆盖区域的操作：若仍以int*类型对storage +1到storage +2的位置做解引用，会触发未定义行为——因为原int对象已消亡，当前存储的是A对象，类型不匹配。但如果通过A*类型访问（比如auto a_ptr = reinterpret_cast<A*>(storage + 1);），则完全合法，因为A对象正处于生存期。
• 数组整体的指针算术：从storage出发做不超过原数组存储范围的指针算术（比如storage +3）本身是合法的（指针允许指向数组末尾之后一个位置），但解引用未被覆盖且有效的元素之外的位置（比如storage[1]）则不合法。

3. 多次复用同一存储位置的情况

如果多次在同一存储位置用placement new创建对象：

• 若原对象具有非平凡析构函数，每次创建新对象前必须手动调用原对象的析构函数，否则会导致资源泄漏或未定义行为。
• 每次新对象创建后，原对象的生存期立即终止，新对象接管存储位置。若新对象类型与之前的类型不同，后续访问必须匹配当前对象的类型，否则触发未定义行为。
• 若多次创建的是相同类型的平凡对象，且存储布局兼容，满足“可透明替换”条件，理论上可以通过原类型的指针/引用访问新对象，但仍建议显式管理生存期，避免依赖标准灰色区域的行为。

关于“可透明替换”的补充说明

对于struct A和int数组元素的场景，A的大小、对齐与两个int完全一致，且A是平凡类型，符合“可透明替换”的条件——因此此前的回答中可以论证通过int*读取A::x这类操作在某些场景下可被接受，但这属于标准未明确规定的灰色区域，生产代码中不建议依赖。而如果替换成double，由于double与int类型不兼容、存储布局不匹配，“可透明替换”完全不适用，任何通过int*访问该存储位置的操作都是未定义行为。

内容的提问来源于Stack Exchange，提问作者Oersted