具有单个原始类型数组成员的标准布局结构的保证内存布局

Question

考虑以下简单结构：

struct A
{
    float data[16];
};

我的问题是：

假设一个平台，其中 float 是一个 32 位 IEEE754 浮点数（如果这很重要的话），C++ 标准是否保证 [=13= 的预期内存布局]?如果不是，它保证什么 and/or 执行保证的方法是什么？

通过预期的内存布局我的意思是该结构在内存中占用16*4=64字节，每个连续的4字节由一个float 来自 data 数组。换句话说，预期内存布局意味着以下测试通过：

static_assert(sizeof(A) == 16 * sizeof(float));
static_assert(offsetof(A, data[0]) == 0 * sizeof(float));
static_assert(offsetof(A, data[1]) == 1 * sizeof(float));
...
static_assert(offsetof(A, data[15]) == 15 * sizeof(float));

（offsetof 在这里是合法的，因为 A 是标准布局，见下文）

如果这让您感到困扰，请使用 gcc 9 HEAD 在 wandbox 上进行测试 actually passes。我从未见过平台和编译器的组合可以提供该测试可能失败的证据，如果它们确实存在，我很乐意了解它们。

为什么还要关心：

类似 SSE 的优化需要一定的内存布局（和对齐，我在这个问题中忽略了这一点，因为它可以使用标准 alignas 说明符处理）。
这种结构的序列化将简单地归结为一个漂亮且可移植的 write_bytes(&x, sizeof(A))。
一些 API（例如 OpenGL，具体地说，glUniformMatrix4fv）需要这种确切的内存布局。当然，可以只传递指向 data 数组的指针来传递这种类型的单个对象，但是对于这些对象的序列（例如，用于上传矩阵类型的顶点属性），仍然需要特定的内存布局。

实际保证的是：

据我所知，这些是 struct A 可以预期的事情：

是standard layout
作为标准布局的结果，指向 A 的指针可以 reinterpret_cast 指向指向其第一个数据成员的指针（大概是 data[0] ？），即在第一个成员之前没有填充。

标准提供的不是（据我所知）的两个剩余保证是：

原始类型数组的元素之间没有填充（我确信这是错误的，但我失败了找到一个确认参考),

在 struct A.
中的 data 数组之后没有填充

Answer 1

关于布局不能保证的一件事是字节顺序，即多字节对象中的字节顺序。 write_bytes(&x, sizeof(A)) 不是跨具有不同字节顺序的系统的可移植序列化。

A can be reinterpret_cast to a pointer to its first data member (which is, presumably, data[0] ?)

更正：第一个数据成员是 data，您可以用它重新解释 cast。至关重要的是，数组不能与其第一个元素进行指针互换，因此您不能重新解释它们之间的强制转换。但是，地址保证是相同的，因此据我所知，在 std::launder 之后重新解释为 data[0] 应该没问题。

There is no padding in between elements of an array of primitive type

保证数组是连续的。对象的 sizeof 是根据将元素放入数组所需的填充来指定的。 sizeof(T[10]) 的大小恰好是 sizeof(T) * 10。如果相邻元素的非填充位之间有填充，则该填充位于元素本身的末尾。

原始类型通常不保证没有填充。例如x86扩展精度long double为80位，填充为128位。

char、signed char 和 unsigned char 保证没有填充位。 C 标准（在这种情况下 C++ 委托规范）保证固定宽度 intN_t 和 uintN_t 别名没有填充位。在不可能的系统上，不提供这些固定宽度的类型。

Answer 2

If a standard-layout class object has any non-static data members, its address is the same as the address of its first non-static data member. Otherwise, its address is the same as the address of its first base class subobject (if any). [Note: There might therefore be unnamed padding within a standard-layout struct object, but not at its beginning, as necessary to achieve appropriate alignment. — end note]

因此，标准保证

static_assert(offsetof(A, data[0]) == 0 * sizeof(float));

An object of array type contains a contiguously allocated non-empty set of N subobjects of type T.

因此，下列说法正确

static_assert(offsetof(A, data[0]) == 0 * sizeof(float));
static_assert(offsetof(A, data[1]) == 1 * sizeof(float));
...
static_assert(offsetof(A, data[15]) == 15 * sizeof(float));

具有单个原始类型数组成员的标准布局结构的保证内存布局

Guaranteed memory layout for standard layout struct with a single array member of primitive type

c++

memory-layout

language-lawyer

standard-layout

我的问题是：

为什么还要关心：

实际保证的是：