如果分配了该区域，则访问超出其末尾的数组是否是未定义的行为？ [复制]

Question

可能重复：
Is the “struct hack” technically undefined behavior?

通常在 C 中访问超出其末尾的数组是未定义的行为。例如：

int foo[1];
foo[5] = 1; //Undefined behavior

如果我知道数组末尾之后的内存区域已被分配，使用 malloc 还是在堆栈上，它仍然是未定义的行为吗？这是一个例子：

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

typedef struct
{
  int len;
  int data[1];
} MyStruct;

int main(void)
{
  MyStruct *foo = malloc(sizeof(MyStruct) + sizeof(int) * 10);
  foo->data[5] = 1;
}

我已经在几个地方看到过这个模式用于制作可变长度的结构，并且它似乎在实践中有效。是技术上未定义的行为吗？

Answer 1

您所描述的内容被亲切地称为"the struct hack"。目前尚不清楚它是否完全没问题，但它曾经并且被广泛使用。

最近 (C99)，它已开始被“灵活数组成员”取代，如果它是结构。

Answer 2

在6.5.6 加法运算符下：

语义

8 - [...] 如果指针操作数指向数组对象的元素，并且数组足够大，则结果指向与原始元素偏移的元素，使得结果和原始数组元素等于整数表达式。 [...] 如果结果指向数组对象的最后一个元素，则不应将其用作计算的一元 * 运算符的操作数。

如果内存是malloc分配的那么：

7.22.3 内存管理函数

1 - [...] 如果分配成功，则返回的指针经过适当对齐，以便可以将其分配给指向具有基本对齐要求的任何类型对象的指针，然后用于访问此类对象或数组分配的空间中的此类对象的数量（直到显式释放空间）。已分配对象的生命周期从分配一直延续到解除分配。

然而，这并不支持在没有适当转换的情况下使用此类内存，因此对于上面定义的MyStruct，只能使用对象的声明成员。这就是添加灵活数组成员 (6.7.2.1:18) 的原因。

另请注意，附录 J.2 未定义行为调用了数组访问：

1 - 在以下情况下行为未定义：[...]
— 将指针加或减到或刚好超出数组对象和 整数类型产生的结果不指向或仅超出同一数组 对象。
— 将指针加或减到或刚好超出数组对象和 整数类型产生的结果刚好超出数组对象，并用作 被评估的一元 * 运算符的操作数。
— 数组下标超出范围，即使对象显然可以使用 给定下标（如左值表达式 a[1][7] 给定声明 int a[4][5])。

所以，正如您所注意到的，这将是未定义的行为：

  MyStruct *foo = malloc(sizeof(MyStruct) + sizeof(int) * 10);
  foo->data[5] = 1;

但是，您将被允许执行以下操作：

  MyStruct *foo = malloc(sizeof(MyStruct) + sizeof(int) * 10);
  ((int *) foo)[(offsetof(MyStruct, data) / sizeof(int)) + 5] = 1;

C++ 在这方面比较宽松； 3.9.2 复合类型[basic.compound]有：

3 - [...] 如果T 类型的对象位于地址A，则表示cv T* 类型的指针，其值为地址A 指向该对象，不管值是如何获得的。

考虑到 C 对指针的更积极的优化机会，这是有道理的，例如使用 restrict 限定符。

Answer 3

C99 基本原理文档在第 6.7.2.1 节中讨论了这一点。

C99 的一个新特性： 有一个常见的习语称为“struct hack”，用于创建包含可变大小数组的结构：

...

这种结构的有效性一直值得怀疑。在对一份缺陷报告的回复中，委员会决定这是未定义的行为，因为数组p->items 只包含一项，而不管空间是否存在。另一种结构是 建议：使数组大小大于可能的最大情况（例如，使用int items[INT_MAX];），但由于其他原因，这种方法也未定义。

委员会认为，尽管没有办法在 C89 中实现“struct hack”，但它仍然是一个有用的工具。因此引入了“灵活数组成员”的新特性。除了空括号和删除malloc 调用中的“-1”， this 的使用方式与 struct hack 相同，但现在是明确有效的代码。

struct hack 是未定义的行为，不仅支持 C 规范本身（我确信其他答案中有引用），而且委员会甚至记录了它的意见。

所以答案是是的，根据标准文档，这是未定义的行为，但根据de facto C 标准已经很好地定义了。我想大多数编译器作者都非常熟悉 hack。来自 GCC 的tree-vrp.c：

   /* Accesses after the end of arrays of size 0 (gcc
      extension) and 1 are likely intentional ("struct
      hack").  */

我认为你很有可能在编译器测试套件中找到 struct hack。