c中强制转换结构中的分段错误

Question

为了尝试封装结构成员（以与this 问题中讨论的类似方式），我创建了以下代码。

在下面的代码中，我有一个 c-struct，其中包含访问隐藏的结构成员的方法（通过被强制转换为其他相同但没有隐藏属性的结构）

#include <stdio.h>

typedef struct class {
    int publicValue;
    int (*getPV)();
    void (*setPV)(int newPV);
} class;

typedef struct classSource {
    int publicValue;
    int apv;
    int (*getPV)();
    void (*setPV)(int newPV);
    int PV;
} classSource;

class class_init() {
    classSource cs;
    cs.publicValue = 15;
    cs.PV = 8;
    int class_getPV() {
        return cs.PV;
    };
    void class_setPV(int x) {
        cs.PV = x;
    };
    cs.getPV = class_getPV;
    cs.setPV = class_setPV;
    class *c = (class*)(&cs);
    return *c;
}


int main(int argc, const char * argv[]) {
    class c = class_init();
    c.setPV(3452);
    printf("%d", c.publicValue);
    printf("%d", c.getPV());
    return 0;
}

当我运行它时，我得到一个分段错误错误。但是，我注意到如果我注释掉某些代码行，它（似乎）可以正常工作：

#include <stdio.h>

typedef struct class {
    int publicValue;
    int (*getPV)();
    void (*setPV)(int newPV);
} class;

typedef struct classSource {
    int publicValue;
    int apv;
    int (*getPV)();
    void (*setPV)(int newPV);
    int PV;
} classSource;

class class_init() {
    classSource cs;
    cs.publicValue = 15;
    cs.PV = 8;
    int class_getPV() {
        return cs.PV;
    };
    void class_setPV(int x) {
        cs.PV = x;
    };
    cs.getPV = class_getPV;
    cs.setPV = class_setPV;
    class *c = (class*)(&cs);
    return *c;
}


int main(int argc, const char * argv[]) {
    class c = class_init();
    c.setPV(3452);
    //printf("%d", c.publicValue);
    printf("%d", c.getPV());
    return 0;
}

我认为这可能与使用初始化程序将 getter 和 setter 方法添加到结构中有关，因为它们可能会覆盖内存。

我在做什么未定义的行为？有没有办法解决这个问题？

编辑：在下面的答案的帮助下，我重新编写了代码。如果有人想查看实现，下面是修改后的代码

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

typedef struct {
    int pub;
} class;

typedef struct {
    class public;
    int PV;
} classSource;

int class_getPV(class *c) {
    return ((classSource*)c)->PV;
}

void class_setPV(class *c, int newPV) {
    ((classSource*)c)->PV = newPV;
}

class *class_init() {
    classSource *cs = malloc(sizeof(*cs));
    if((void*)cs == (void*)NULL) {
        printf("Error: malloc failed to allocate memory");
        exit(1);
    }
    cs->public.pub = 10;
    cs->PV = 8;
    return &(cs->public);
}

int main() {
    class *c = class_init();
    class_setPV(c,4524);
    printf("%d\n",class_getPV(c));
    printf("%d\n",c->pub);

    free(c);
    return 0;
}

Answer 1

您的代码中至少存在三个不同的问题。

1. 您实际上并没有“其他结构相同但没有隐藏属性的结构”。你的 class 和 classSource 结构在不同的地方有它们的 getPV 和 setPV 成员。内部成员访问归结为结构开头的字节偏移量。为了有机会工作，您的代码需要在两种结构类型之间有一个共同的成员初始前缀（即去掉 int apv; 或将其移至末尾）。

2. 您正在按值返回一个结构，它会自动生成一个副本。您已经重新实现了object slicing 问题：因为返回值的类型为class，所以只会复制class 的成员。 classSource 的额外成员已被“切掉”。

3. 您正在使用嵌套函数。这不是 C 的标准特性； GCC implements it as an extension 说：

   如果你试图在包含函数退出后通过它的地址调用嵌套函数，那么一切都会崩溃。

   这正是您的代码中发生的情况：您在 class_init 返回后调用 c.setPV(3452); 和 c.getPV。

如果您想解决这些问题，您必须：

1. 修正你的结构定义。至少class 的所有成员需要以相同的顺序出现在classSource 的开头。即使您这样做，我也不确定您是否仍会遇到未定义的行为（例如，您可能违反了别名规则）。

   我有点确定将一个结构嵌入另一个结构是可以的，但是：

   typedef struct classSource {
       class public;
       int PV;
   } classSource;
   

   现在您可以从初始化程序返回&cs->public，并且您的方法可以将class * 指针转换回classSource *。 （我认为这没关系，因为所有结构指针都具有相同的大小/表示形式，并且保证X.public 作为第一个成员具有与X 相同的内存地址。）

2. 更改您的代码以改用指针。返回指向结构的指针可以避免切片问题，但现在您必须处理内存管理（malloc 结构并稍后处理free）。

3. 不要使用嵌套函数。而是将指向对象的指针传递给每个方法：

   class *c = class_init();
   c->setPV(c, 3452);
   int x = c->getPV(c);
   

   这有点乏味，但这就是例如C++ 本质上是在幕后工作的。除了 C++ 没有将函数指针放在对象本身中；没有理由什么时候可以使用普通功能：

   setPV(c, 3452);
   int x = getPV(c);
   

   ... 或者使用一个单独的（全局、常量、单例）结构，它只存储指向方法的指针（而不是数据）。然后每个对象只包含一个指向此方法结构的指针（这称为 vtable）：

   struct classInterface {
       void (*setPV)(class *, int);
       int (*getPV)(const class *);
   };
   static const classInterface classSourceVtable = {
       class_setPV,  // these are normal functions, defined elsewhere
       class_getPV
   };
   

   方法调用如下所示：

   c->vtable->setPV(c, 1234);
   int x = c->vtable->getPV(c);
   

   但是，如果您有几个不同的结构类型共享一个公共接口 (class)，并且您希望编写在所有这些类型上统一工作的代码，这主要是有用的。