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c - 指针算术通过先前的成员地址（在同一个结构中）导致指向另一个结构成员的指针

问题描述

C标准对指针算术结果的看法是什么？通过同一结构中的前一个成员地址指向另一个结构成员？

代码 1（无结构），mystery_1

int mystery_1(void)
{
    int one = 1, two = 2;
    int *p1 = &one + 1;
    int *p2 = &two;
    unsigned long i1 = (unsigned long) p1;
    unsigned long i2 = (unsigned long) p2;

    if (i1 == i2)
        return p1 == p2;
    return 2;
}

从代码1，我知道结果是不确定的，因为无法保证堆栈上的局部变量是如何放置的。

如果我使用这样的结构（代码 2）怎么办？

代码 2（带结构），mystery_2

int mystery_2(void)
{
    struct { int one, two; } my_var = {
        .one = 1, .two = 2
    };
    int *p1 = &my_var.one + 1;
    int *p2 = &my_var.two;
    unsigned long i1 = (unsigned long) p1;
    unsigned long i2 = (unsigned long) p2;
    
    if (i1 == i2)
        return p1 == p2;
    return 2;
}

编译器输出

神螺栓链接： https ://godbolt.org/z/jGoKfETn7

海合会 10.2

mystery_1:
        xorl    %eax, %eax # return 0, while clang returns 2 (fine as no guarantee)
        ret
mystery_2:
        movl    $1, %eax # return 1, as compiler must consider the memory order of struct members
        ret

铿锵声 11.0.1

mystery_1:                              # @mystery_1
        movl    $2, %eax # return 2, while gcc returns 0 (fine as no guarantee)
        retq
mystery_2:                              # @mystery_2
        movl    $1, %eax # return 1, as compiler must consider the memory order of struct members
        retq

我的理解

问题

问题

我与某人讨论了 struct case ( mystery_2)，他们说：

p1指向（过去）一，并p2指向二。在 C 规范中，这些被视为不同的“对象”。然后规范继续定义指向不同对象的指针可能比较不同，即使两个指针具有完全相同的位模式

标签： cpointerslanguage-lawyer

解决方案

根据 C 2018 6.5.6 8，指针算术的两个基础是：

  • 可以调整指向数组元素的指针（通过整数的加减法）以指向数组的任何元素或指向末尾（最后一个元素之后的一个）。C 标准未定义的算术以外的算术。
  • 对于指针算术，单个对象的行为就像一个对象的数组。

因此int *p1 = &one + 1;具有定义的行为。

关于：

    unsigned long i1 = (unsigned long) p1;
    unsigned long i2 = (unsigned long) p2;

由于它不是这个问题的重点，我们假设实现定义的指针到 an 的转换unsigned long会产生一个唯一值，该值唯一地标识指针值。（也就是说，将任何地址转换为unsigned long仅会为该地址生成一个值，并且将该值转换回指针会重现该地址。C 标准不保证这一点。）

那么，如果i1 == i2，则意味着p1 == p2，反之亦然。根据 C 2018 6.5.9 6，p1并且p2只有当two（p2指向）已在内存中布局超过one（p1指向刚刚超出）时，才能比较相等。（一般来说，由于其他原因，指针可以比较相等，但这些情况涉及指向同一个对象、结构及其第一个成员、同一个函数等的指针，所有这些都被排除在这个特殊的p1and之外p2。）

因此，如果代码 1 中的代码two紧随其后在内存中布局，则返回 1，否则返回one2。

在代码 2 中也是如此。&my_var.one + 1定义了指针算术，并且结果p1比较等于p2当且仅当成员two紧跟one在内存中的成员之后。

不过，two也不必马上跟进one。这个说法是不正确的：

... struct 保证内存布局。

C 标准允许实现在结构成员之间放置填充。常见的 C 实现不会这样做，struct { int one, two; }因为它不需要对齐（一旦one对齐，紧随其后的地址也适合对齐int，因此不需要填充），但 C 标准不保证这一点。

笔记

uintptr_t，在 中声明<stdint.h>，是将指针转换为整数的更好选择。但是，标准只保证(uintptr_t) px == (uintptr_t) py暗示px == py，不保证px == py暗示(uintptr_t) px == (uintptr_t) py。换句话说，将两个指向同一个对象的指针转换为uintptr_t可能会产生两个不同的值，尽管将它们转换回指针会导致指针比较相等。

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