是 UB 访问“填充”字节吗？答案

【问题标题】：Is it UB to access 'padded' bytes?是 UB 访问“填充”字节吗？
【发布时间】：2013-01-22 04:51:24
【问题描述】：

如果我有这样的对象：

struct {
    uint32_t n;
    uint8_t c;
} blob {};

那么将有 3 个“填充”字节。

访问填充字节是 UB 吗？例如：

uint8_t * data = reinterpret_cast<uint8_t*>(&blob);
std::cout << data[4] << data[5] << data[6] << data[7];

我首先假设这可能是 UB，但如果这是真的，那么 memcpy 也将是 UB：

memcpy(buf, &blob, sizeof(blob));

我的具体问题是：

访问填充字节是 UB 吗？
如果不是，那是否意味着也定义了值？

【问题讨论】：

由于这是一个非常规矩的问题，我不确定最终的答案是什么。我怀疑它会被定义（只要 uint8_t* 是 unsigned char*），但初始值将保持未指定，就像任何其他未初始化的成员变量一样。现在，如果你想要规范引用，我把它留给有更多时间查找的人:)
我假设 uint32_t 与 sizeof(uint32_t) 对齐。
@PeterG: 标准要求sizeof(blob) 至少为5。由于uint8_t 存在，因此CHAR_BIT == 8 和sizeof(uint32_t) == 4 存在。然后，sizeof(blob) 是 5 还是 8 是对齐问题。允许故意将其设置为 6 或 7。
@PeterG。如果sizeof(blob) 包含uint32_t 和uint8_t，它怎么可能是4 个字节？我可以看到 5 个字节，我可以看到 8 个字节。但是4？怎么样？
@SteveJessop 我认为他的意思是在4 + 1 = 4 的系统上，您不能指望任何东西都可以很好地定义。

标签： c++ alignment language-lawyer

【解决方案1】：

不，当整个对象被零初始化（标准在 §8.5/5 中说，当对象被零初始化时，填充被初始化为 0 位）或值初始化时，访问填充不是 UB不是具有用户定义构造函数的类。

【讨论】：

所以如果对象不是零初始化但分配了成员，那么访问填充字节会是UB吗？（memcpy 也会如此？）
@StackedCrooked 如果未初始化但已分配成员，则可以复制成员但不能复制整个对象。
@StackedCrooked：如果它没有被初始化，同样的事情也会发生在任何其他未初始化的内存块上：如果你的程序依赖于你有 UB 的未初始化内存的值，如果该内存的值与您的程序无关，您没有UB（即memcpy 完全可以，只要您的程序不依赖于填充中字段的值）。未初始化并不意味着未定义的行为，int main() {int a; int b=a; return 0; }中没有未定义的行为
@DavidRodríguez-dribeas 实际上我很确定这个例子是未定义的，不是吗？
@DavidRodríguez-dribeas：在 C++ 中，您的示例 int b=a 是 UB。 4.1/1，“如果对象未初始化，则需要 [左值到右值] 转换的程序具有未定义的行为。”

【解决方案2】：

我认为，在适当的情况下，您最终可能会为此选择 UB。我在想的是你有ECC或奇偶校验检查的内存，其中ecc /奇偶校验位是通过写入内存来设置的。如果在 [never was write to AT ALL] 之前没有使用过一块内存，并且您在填充字段中读取了未初始化的字节，那么当尚未写入的内存时，它可能会导致 ecc/parity 错误正在阅读。

当然，在这样的系统中，您可以通过在引导期间的某个时间点简单地执行“填充所有内存”来避免一大堆痛苦，因为这样做是不合时宜的：

struct Blob 
{
    uint32_t n;
    uint8_t c;
};

Blob *b = malloc(sizeof(Blob)*10);

for(int i = 0; i < 10; i++)
{
   b[i].n = i;
   b[i].c = i;
 }


 ...

 Blob a[3];

 memcpy(a, &b[1], sizeof(a));    // Copies 3 * Blob objects, including padding.

现在，由于并非 b[x] 的所有位都已设置，它可能无法复制 memcpy 中的数据，因为奇偶校验/ecc 错误。那会很糟糕。但同时，不能强制编译器“设置”所有的填充区域。

我的结论是，这是UB，但除非有特殊情况，否则不太可能引起问题。当然，您会在很多代码中看到上述类型的memcpy 代码。

【讨论】：

读取任何未初始化的内存都是UB，不仅仅是在奇怪的系统上。
是的，如果您使用 malloc 不会填满分配的内存，那么使用 memcpy 复制您无法写入每个字节的结构会很糟糕。然而，我们经常看到这种代码，你不同意吗？它可以工作，因为几乎总是，内存被操作系统填充，无论是在引导期间，还是稍后在向应用程序提供内存的操作系统阶段。但是我确定是UB覆盖了内存没有初始化的情况。

【解决方案3】：

如果不是未定义的行为，它肯定是实现定义的。虽然 C++ 标准不能保证你的程序做什么，但你的系统的 ABI 规范——SysV，如果你使用的是 Linux——会。我怀疑，如果您在填充位上胡闹，您可能更感兴趣的是您的程序将如何在您的系统上运行，而不是它在任何符合 C++ 的任意系统上的运行方式。

【讨论】：

【解决方案4】：

一个 POD 结构将存在于至少 sizeof(struct) 字节（包括任何填充字节）的连续内存块中。访问填充字节（如果它们存在）只有在它没有被初始化时才会是 UB。

memset(&s, 0, sizeof(s));

这将初始化所有字节，包括填充。之后从填充中读取不会是 UB。

当然，memset() 是 C 主义，我们永远不会在 C++ 中这样做，对吧？

【讨论】：

【解决方案5】：

在 C 中它不是未定义的行为。唯一一次访问未初始化的东西（例如对象中的填充）会导致未定义的行为，即对象具有自动存储持续时间并且从未占用其地址：

6.3.2.1.2：如果左值指定一个自动存储持续时间的对象，该对象可能已经使用寄存器存储类声明（从未占用其地址），以及该对象未初始化（未使用初始化程序声明且未对其赋值在使用之前执行），行为未定义。

但在这种情况下，您使用的是地址（带有&），因此行为是明确定义的（不会发生错误），但您可能会得到任何随机值。

在 C++ 中，所有的赌注都没有，通常情况下。

【讨论】：

正如 Steve Jessop 提到的，4.1/1 表示如果程序需要对未初始化的对象进行左值到右值的转换，那么它就是 UB。
啊，错过了 C++ 标记——在 C 中它是明确定义的。 C++ 规范在这里被破坏了。