char 数组可以与任何数据类型一起使用吗？

Question

malloc() 函数返回void* 类型的指针。它根据作为参数传递给它的size_t 值以字节为单位分配内存。结果分配是原始字节，可用于 C 中的任何数据类型（无需强制转换）。

在返回void * 的函数中声明的类型为char 的数组是否可以用于任何数据类型，例如malloc 的结果分配？

例如，

#include <stdio.h>

void *Stat_Mem();

int main(void)
{
    //size : 10 * sizeof(int)
    int buf[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

    int *p = Stat_Mem();

    memcpy(p, buf, sizeof(buf));

    for (int n = 0; n < 10; n++) {
        printf("%d ", p[n]);
    }
    putchar('\n');

    return 0;
}

void *Stat_Mem()
{
    static char Array[128];
    return Array;
}

Answer 1

如果阅读 C89 标准的基本原理，那么存在类型别名规则的唯一原因是避免要求编译器做出“最坏情况别名假设”。给定的示例是：

    int a;
    void f( double * b )
    {
        a = 1;
        *b = 2.0;
        g(a);
    }

如果程序在联合中创建了一个“char”数组，其中包含适合任何类型的对齐方式，获取其地址，并且除非通过结果指针，否则从不访问该结构的存储，那么应该没有理由别名规则应该会造成任何困难。

值得注意的是，该标准的作者认识到一个实现可以同时兼容但无用；请参阅 C89 2.2.4.1 的基本原理：

虽然有缺陷的实现可能会设计出满足此要求的程序，但仍会成功地无用，但委员会认为，这种独创性可能需要更多的工作，而不是使某些东西有用。委员会的意思是，实施者不应将转换限制解释为硬连线参数的值，而应将其解释为一组判断实施的标准。

虽然该特定声明是针对实现限制做出的，但将 C89 解释为与之前的 C 方言远程兼容的唯一方法是将其视为更广泛的应用：标准不尝试详尽地指定程序应该能够做的所有事情，但依赖于编译器编写者的一些常识。

使用字符类型数组作为任何类型的后备存储，假设一个确保对齐问题得到处理，不应该对非笨拙编写的编译器造成任何问题。该标准没有强制编译器编写者允许这样的事情，因为他们认为没有理由期望他们这样做。不幸的是，他们未能预见到该语言在 21 世纪将走向何方。

Answer 2

不，您不能将任意字节数组用于任意类型，因为可能存在对齐问题。该标准在 6.3.2.3 转换/指针（强调我的）中说：

指向对象或不完整类型的指针可以转换为指向不同类型的指针 对象或不完整类型。 如果结果指针未正确对齐 指向类型，行为未定义。否则，当再次转换回来时， 结果应与原始指针比较。

作为 char 作为最小对齐要求，您无法确保您的 char 数组对于任何其他类型都正确对齐。这就是为什么 malloc 保证 malloc 获得的缓冲区（即使它是 void *）具有最大可能的对齐要求以能够接受任何其他类型。

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我认为

union {
    char buf[128];
    long long i;
    void * p;
    long double f;
};

应该为任何类型正确对齐，因为它与最大的基本类型（如 6.2.5 类型中定义）兼容。我很确定它适用于所有常见的实现（gcc、clang、msvc，...），但不幸的是，我找不到任何标准允许它的确认。本质上是因为 6.5 表达式 §7 中定义的严格别名规则：

一个对象的存储值只能由具有以下之一的左值表达式访问 以下类型：

• 与对象的有效类型兼容的类型，
• 与对象的有效类型兼容的类型的限定版本，
• 对应于有效类型的有符号或无符号类型 对象，
• 一种类型，它是有符号或无符号类型，对应于 对象的有效类型，
• 一种聚合或联合类型，其中包括上述类型之一 成员（递归地包括子聚合或包含联合的成员），或
• 一种字符类型。

所以恕我直言，没有可移植且符合标准的方法来构建不使用malloc 的自定义分配器。

Answer 3

静态对象Array的声明类型为char。这个对象的有效类型是它的声明类型。静态对象的有效类型无法更改，因此对于程序的其余部分，Array 的有效类型为char。

如果您尝试访问类型不兼容或不在此列表中的对象的值¹，则行为未定义。

您的代码尝试使用int 类型访问Array 的存储值。此类型与char 类型不兼容且不在异常列表中，因此当您使用int 指针p 读取数组时，行为未定义：

printf("%d ", p[n]);

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¹（引自：ISO:IEC 9899:201X 6.5 表达式 7）
对象的存储值只能由左值访问 具有以下类型之一的表达式：
- 一种 兼容对象的有效类型，
——合格的 与对象的有效类型兼容的类型的版本，
— 一种类型，它是有符号或无符号类型，对应于 对象的有效类型，
— 有符号或无符号的类型 type 对应于有效类型的限定版本 对象,
— 聚合或联合类型，包括以下之一 其成员之间的上述类型（包括，递归地， 子聚合或包含联合的成员），或
— 一种字符类型。