给结构和数组取别名是否合法？

Question

结构中相同类型的连续成员之间的指针算术曾经是一种常见的做法，而指针算术仅在数组内部有效。在 C++ 中，这将是明确的未定义行为，因为数组只能由声明或新表达式创建。但是 C 语言将数组定义为一个连续分配的非空对象集 特定的成员对象类型，称为元素类型。（C11 的 n1570 草案，6.2.5 类型§20）。因此，如果我们可以确保成员是连续的（意味着它们之间没有填充），那么将其视为一个数组是合法的。

这是一个简化的示例，它编译时没有警告并在运行时给出预期的结果：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <assert.h>

struct quad {
    int x;
    int y;
    int z;
    int t;
};

int main() {
    // ensure members are consecutive (note 1)
    static_assert(offsetof(struct quad, t) == 3 * sizeof(int),
        "unexpected padding in quad struct");
    struct quad q;
    int *ix = &q.x;
    for(int i=0; i<4; i++) {
        ix[i] = i;
    }
    printf("Quad: %d %d %d %d\n", q.x, q.y, q.z, q.t);
    return 0;
}

这里没有真正的意义，但我已经看到了现实世界的例子，其中在结构成员之间进行迭代允许更简单的代码，减少拼写错误的风险。

问题：

在上面的例子中，static_assert 是否足以使结构与数组的别名合法化？

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（注 1）由于结构 描述了一个顺序分配的非空成员对象集，后面的成员必须具有递增的地址。简单地说，编译器可以在它们之间包含填充。所以最后一个成员的偏移量（这里是t）如果3倍sizeof(int)加上它之前的总填充。如果偏移量正好是3 * sizeof(int)，那么结构中没有填充

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作为重复提出的问题既包含一个可以接受的答案，让我们认为它是 UB，也包含一个 +1 answer，让我们认为它可能是合法的，因为我可以确保不存在任何填充

Answer 1

不，像这样给struct 和数组起别名是不合法的，它违反了严格的别名。解决方法是将结构包装在一个联合中，该联合包含一个数组和各个成员：

union something {
  struct quad {
    int x;
    int y;
    int z;
    int t;
  };

  int array [4];
};

这避免了严格的别名违规，但您可能仍然有填充字节。您可以使用静态断言检测到。

另一个问题仍然存在，那就是您不能在指向结构的第一个成员的 int* 上使用指针算术，原因在加法运算符的指定行为中概述了各种模糊的原因 - 它们要求指针指向数组类型。

避免这一切的最好方法是简单地使用上面联合的数组成员。这与静态断言一起产生定义明确、坚固且可移植的代码。

（理论上，您也可以使用指向字符类型的指针来遍历结构 - 与 int* 不同，这将根据 6.3.2.3/7 被允许。但如果您不感兴趣，这是一个更混乱的解决方案在单个字节中。）

Answer 2

这里的问题是您对连续分配的定义：“我们可以确保成员是连续的（意味着它们之间没有填充）”。

虽然这是连续分配的必然结果，但它并没有定义属性。

您的结构成员是具有自动存储持续时间的单独变量，按照特定顺序使用或不使用填充，具体取决于您控制编译器的方式，仅此而已。因此，在给定另一个成员的地址的情况下，您不能使用指针算术来访问一个成员，并且这样做的行为是未定义的。

Answer 3

我要争论 UB。首先，来自6.5.6 加法运算符的强制引用：

当一个整数类型的表达式被添加或减去时 从一个指针，结果具有指针操作数的类型。如果 指针操作数指向一个数组对象的元素，而数组 足够大，结果指向一个元素偏移量 原始元素使得下标的差异 结果和原始数组元素等于整数表达式。 换句话说，如果表达式 P 指向一个 数组对象，表达式 (P)+N（等价于 N+(P)）和 (P)-N （其中 N 的值为 n）分别指向第 i+n 个和 数组对象的第 i-n 个元素，前提是它们存在。此外，如果 表达式 P 指向数组对象的最后一个元素， 表达式 (P)+1 指向 数组对象 的最后一个元素， 如果表达式 Q 指向 数组的最后一个元素 object，表达式 (Q)-1 指向数组的最后一个元素 目的。如果指针操作数和结果都指向元素 相同的数组对象，或超过数组的最后一个元素 对象，评估不会产生溢出；否则， 行为未定义。如果结果指向最后一个元素 数组对象，它不能用作一元*的操作数 被评估的运算符。

我强调了我认为问题的症结所在。当您说数组对象是“具有特定成员对象类型（称为元素类型）的连续分配的非空对象集”时，您是对的。。但反过来是真的吗？一组连续分配的对象是否构成数组对象？

我会说不。需要显式创建对象。

因此，对于您的示例，没有数组对象。在 C 中创建对象通常有两种方法。用自动、静态或线程本地持续时间声明它们。或者分配它们并给存储一个有效的类型。你没有创建一个数组。这使得算术正式未定义。

Answer 4

开始 -

引用C11，章节§6.5.2.1p2

后缀表达式后跟方括号中的表达式[] 是数组对象元素的下标名称。下标运算符[]的定义是E1[E2]等同于(*((E1)+(E2)))。 ...

这意味着ix[i] 的计算结果为*(ix + i)。这里的子表达式是ix + i。 ix 的类型为 pointer to integer。

现在，

引用C11，章节§6.5.6p7

就这些运算符而言，指向不是数组元素的对象的指针与指向长度为 1 且对象类型作为其元素类型的数组的第一个元素的指针的行为相同。

因此我们知道ix 指向一个大小为1 的数组。甚至构造一个超出长度的指针（off by one 除外）都是未定义的行为，更不用说取消引用它了。

这使我认为这确实是不允许的。

Answer 5

应该是 UB。正如在that other question 中建立的那样，static_assert 可以以一致的方式测试可能的填充。所以是的，结构的 4 个成员确实是连续分配的。

但真正的问题是连续分配是必要的，但不足以构成一个数组。即使我在 C 标准中找不到明确的参考，对象在其生命周期内也不能重叠——这在 C++ 标准中更清楚地明确了。它们可以是聚合（结构或数组）的成员，但聚合不允许重叠。这与 Antti Haapala 在其answer 中引用的 C89 缺陷报告 #017 （日期为 1992 年 12 月 10 日）对拟议副本的回应是一致的。

即使 C 没有 new 语句，分配的存储也具有没有声明类型的特殊属性。这允许在该存储中动态创建对象，但是当在其地址创建不同类型的对象时，已分配对象的生命周期结束。所以即使在分配的内存中，我们也不能同时拥有一个数组和一个结构体。

根据Lundin's answer，通过数组和结构之间的联合进行类型双关应该可以工作，因为（非规范）注释说

如果用于读取联合对象内容的成员与上次用于读取的成员不同 在对象中存储一个值，该值的对象表示的适当部分被重新解释 作为新类型中的对象表示

两种类型都有相同的表示：4个连续整数

如果没有联合，遍历数组成员的方法将是在字节级别，因为 6.3.2.3 转换/指针说：

7 ... 当指向对象的指针转换为指向字符类型的指针时， 结果指向对象的最低寻址字节。的连续递增 结果，直到对象的大小，产生指向对象剩余字节的指针。

char *p = q;
for (i=0; i<4; i++) {
    int *ix = (int *) (p + i * sizeof(int));  // Ok: points to the expected int member
    *ix = i;
}

但是用于迭代结构成员的非字符类型的指针算法是 UB，因为结构的各个成员不能同时是数组的成员。