可以将不同的数据类型存储在 C 中相同的分配内存中吗？

Question

我想将不同的数据类型存储在同一个分配的内存中，以通过仅分配一次内存来减少执行时间。我发现实际上可以创建一个 uint8_t 变量数组并创建一个指向同一内存地址的新 uint16_t 指针，然后我可以双向读取值。

这允许我创建一个指针，比如说指向已分配内存的中间，并将后半部分的值存储在不同的数据类型中。

这样做可以吗？我知道我需要注意内存边界，但这是不好的风格吗？

这是我的代码：

#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

int main(void){
    uint8_t *array;
    uint16_t *array2;
    array = calloc(6, 1);
    array[0] = 257;

    printf("array[0]= %" PRIu8 "\n", array[0]);
    printf("array[1]= %" PRIu8 "\n", array[1]);
    printf("Adresse von array[0] = %p\n", &array[0]);
    array2 = &array[0];
    printf("Adresse auf die array2 zeigt = %p\n", array2);

    array2[0] = 257;
    printf("array2[0]= %" PRIu16 "\n", array2[0]);
    printf("array2[1]= %" PRIu16 "\n", array2[1]);
    printf("array[0]= %" PRIu8 "\n", array[0]);
    printf("array[1]= %" PRIu8 "\n", array[1]);

    getchar();
    return 0;
}

Answer 1

使用union 创建一个变量，该变量有时存储一种类型，有时存储另一种类型。

union {
  uint8_t u8;
  uint16_t u16;
} *array_u;
size_t nmemb = 6; 

array_u = calloc(nmemb, sizeof *array_u);
assert(array_u);

printf("array_u[0].u8 = %" PRIu8 "\n", array_u[0].u8);

array_u[0].u16 = 1234;
printf("array_u[0].u16 = %" PRIu16 "\n", array_u[0].u16);
...

这不会使用所有空间，每个联合只有一个 uint8_t u8。下面使用 2 个uint8_t。

union {
  uint8_t u8[2];
  uint16_t u16;
} *array_u;

printf("array_u[0].u8[0] = %" PRIu8 "\n", array_u[0].u8[0]);

array_u[0].u16 = 1234;
printf("array_u[0].u16 = %" PRIu16 "\n", array_u[0].u16);

OTOH 如果代码需要覆盖整个固定长度的数组

union {
  uint8_t u8[12];
  uint16_t u16[6];
} *array_u;

array_u = calloc(1, sizeof *array_u);
assert(array_u);

printf("array_u->u8[0] = %" PRIu8 "\n", array_u->u8[0]);

array_u->u16[0] = 1234;
printf("array_u->u16[0] = %" PRIu16 "\n", array_u->u16[0]);
...

Answer 2

这样可以吗？

标准说：

指向对象类型的指针可以转换为指向不同对象类型的指针。如果结果指针未正确对齐引用的类型，则行为未定义。否则，当再次转换回来时，结果将等于原始指针。

（C2011，6.3.2.3/7）

请注意，您甚至不必使用转换后的指针来产生未定义的行为——转换本身的行为是未定义的。

话虽如此，您的示例代码展示了一种特殊情况：成功调用 calloc()（或 malloc() 或 realloc()）返回的指针保证可以针对任何类型的对象进行适当对齐，因此您执行的特定指针转换 (array2 = &array[0]) 应该始终没问题。但是，它应该需要演员表。你的编译器应该警告你。

如果您计划将指针转换为分配块内部的任意位置，那么您不能依赖对齐方式是正确的。

另请注意，使用此方案可能会损害性能而不是提高性能。特别是，一些处理器对于适当对齐的数据具有更好的加载和存储性能，即使它们可以处理其他对齐。您为每个块支付一次内存分配成本 - 您为每次访问支付未对齐访问的任何成本。

我知道我需要注意内存边界，但这是不好的风格吗？

是的，非常。您正在牺牲代码清晰度以获得不确定的假设性能增益。增加的开发和维护成本可能会淹没任何性能提升，尤其是因为您也混淆了编译器的意图，从而使生成高效机器代码变得更加困难。

此外，现在开始进行这种微优化可能还为时过早。首先让你的程序正常工作。如果速度不够快，请测试找出瓶颈并专注于改进这些部分。您最有可能通过选择更好的算法来提高性能；你提议的小技巧很少值得。