在不违反严格的别名规则的情况下处理数据序列化答案

【问题标题】：Dealing with data serialization without violating the strict aliasing rule在不违反严格的别名规则的情况下处理数据序列化
【发布时间】：2026-02-20 06:45:02
【问题描述】：

通常在嵌入式编程中（但不限于）需要序列化一些任意的struct，以便通过某个通信通道发送它或写入某个内存。

示例

让我们考虑一个由N对齐的内存区域中不同数据类型组成的结构：

struct
{
    float a;
    uint8_t b;
    uint32_t c;
} s;

现在假设我们有一个库函数

void write_to_eeprom(uint32_t *data, uint32_t len);

它将指向要写入的数据的指针作为uint32_t*。现在我们想使用此函数将s 写入eeprom。一种天真的方法是做类似

write_to_eeprom((uint32_t*)&s, sizeof(s)/4);

但这明显违反了严格的别名规则。

第二个例子

struct
{
    uint32_t a;
    uint8_t b;
    uint32_t c;
} s;

在这种情况下，别名(uint32_t*)&s 没有违反规则，因为指针与指向第一个字段类型的指针兼容，这是合法的。但！库函数可以这样实现，它正在执行一些指针运算来迭代输入数据，而这种运算结果指针与它们指向的数据不兼容（例如，data+1 是 uint32_t* 类型的指针，但是它可能指向 uint8_t 字段）。据我了解，这又违反了规则。

可能的解决方案？

用所需类型的数组将有问题的结构包装在一个联合中：

union 
{
    struct_type s;
    uint32_t array[sizeof(struct_type) / 4];
} u;

并将u.array 传递给库函数。

这是正确的方法吗？这是唯一正确的方法吗？还有什么其他方法？

【问题讨论】：

非常简单的解决方案：write_to_eeprom(char const* data, size_t len_times_four).
@KerrekSB 正如我所说，write_to_eeprom 是一个库函数，这是我们无法控制的。而且，将float* 转换为char* 是违规行为，不是吗？。
@KerrekSB 其实不，不是……任何东西都可以别名为char*。
不，您可以将任何对象解释为字符序列。这明确不是别名违规。
是的，您可以将对象中的字节复制到uint32_ 的数组中，然后复制整数。（或者您可能根本不在乎，只是将您的代码限制在您的一个平台上。）

标签： c strict-aliasing

【解决方案1】：

只是一个注释，我不完全确定，但将uint8_t* 转换为char*(here) 可能并不总是安全的。

无论如何，您的 write 函数的最后一个参数想要什么，要写入的字节数 - 或 uint32_t 元素的数量？让我们稍后假设，并且还假设您想将结构的每个成员写入分隔整数。你可以这样做：

uint32_t dest[4] = {0};
memcpy(buffer, &s.a, sizeof(float));
memcpy(buffer+1, &s.b, sizeof(uint8_t));
memcpy(buffer+2, &s.c, sizeof(uint32_t));

write_to_eeprom(buffer, 3 /* Nr of elements */);

如果要将结构元素连续复制到整数数组中——可以先将结构成员连续复制到字节数组中——然后再将字节数组复制到uint32_t数组中。并且还将字节数作为最后一个参数传递 - sizeof(float)+sizeof(uint8_t)+sizeof(uint32_t)

【讨论】：

@Eugene Sh.：您对此解决方案有何看法？
我试图避免任何不必要的额外内存操作，所以基本上寻找类型系统唯一的解决方案。谢谢。
@EugeneSh.：我认为这个实际上是安全的。我还提到了其他方式，不清楚您要复制到单独的数组元素或对齐所有值（我的回答中的第二个选项）
@EugeneSh。当出现这样的代码时，一个好的编译器应该避免“不必要的额外内存操作”。您希望在类型系统中找到的逃生舱口在标准 C 中根本不存在 - 您的选项是 memcpy，通过 unsigned char * 或编译器扩展读取表示。无论如何，您可能最终会编写这样的代码来处理填充和字节序。
@zwol 为什么不考虑union 解决方案？

【解决方案2】：

考虑到写入 eeprom 的速度通常比写入普通内存要慢，有时甚至慢很多，因此使用中间缓冲区很少会拖累性能。我意识到这违背了this comment，但我觉得它值得考虑，因为它处理了所有其他 C 问题

编写一个没有对齐、别名或大小问题的辅助函数

extern void write_to_eeprom(/* I'd expect const */ uint32_t *data, uint32_t len);

// Adjust N per system needs
#define BYTES_TO_EEPROM_N 16

void write_bytes_to_eeprom(const void *ptr, size_t size) {
  const unsigned char *byte_ptr = ptr;
  union {
    uint32_t data32[BYTES_TO_EEPROM_N / sizeof (uint32_t)];
    unsigned char data8[BYTES_TO_EEPROM_N];
  } u;

  while (size >= BYTES_TO_EEPROM_N) {
    memcpy(u.data8, byte_ptr, BYTES_TO_EEPROM_N);  // **
    byte_ptr += BYTES_TO_EEPROM_N;
    write_to_eeprom(u.data32, BYTES_TO_EEPROM_N / sizeof (uint32_t));
    size -= BYTES_TO_EEPROM_N;
  }

  if (size > 0) {
    memcpy(u.data8, byte_ptr, size);
    while (size % sizeof (uint32_t)) {
      u.data8[size++] = 0;  // zero fill
    }
    write_to_eeprom(u.data32, (uint32_t) size);
  }
}

// usage - very simple
write_bytes_to_eeprom(&s, sizeof s);

** 可以使用memcpy(u.data32, byte_ptr, BYTES_TO_EEPROM_N); 处理@zwol issue。

【讨论】：