在 C 中转换为指针类型时会发生什么？

Question

我已经看到 NULL 相当于(void*)0。但我不明白为什么需要将零类型转换为void*。当我们做这样的事情时，真正发生在幕后的是什么

int *p = (int*)10;

上述语句中(int*)是否将整数10（占用4字节）的地址空间扩展为8字节？

Answer 1

有几种方法可以回答这个问题。

我们说指针值是内存位置的地址。但是不同的计算机对内存使用了不同的寻址方案。 C 是一种高级语言，可在多种计算机上移植。 C 不要求特定的内存架构。就 C 编程语言而言，内存地址实际上可以是“第四大道 123 号”之类的东西，很难想象在整数和这样的地址之间来回转换。

现在，对于您可能使用的任何机器，内存实际上是以一种相当简单且不足为奇的方式线性寻址的。如果你的程序有 1000 字节的可用内存，那么这些字节的地址范围可能从 0 到 999。所以如果你说

char *cp = (char *)10;

您只是设置了一个指向位于地址 10 的字节（或者，即程序地址空间中的第 11 个字节）的指针。

现在，在 C 语言中，指针不仅仅是内存中某个位置的原始地址。在 C 中，还声明了一个指针来指定它指向的数据类型。所以如果我们说

int *ip = (int *)10;

我们正在设置一个指向位于地址 10 的 int 值数据的指针。它与 cp 指向的内存中的点相同，但由于它是一个 int 指针，它将访问一个 int 值的字节，没有一个字节像cp 那样。如果我们在一台旧的 16 位机器上，并且 int 是两个字节，我们可以认为 ip 指向我们地址空间中的第五个 int。

C 中的强制转换实际上可以做两件事：(1) 转换一个值（“更改位”），或 (2) 更改一个值的解释。如果我们说float f = (float)3;，我们将在 3 的整数表示和 3 的浮点表示之间进行转换，这可能是完全不同的。如果我们朝另一个方向前进，比如int i = (int)3.14;，我们也会丢弃小数部分，所以会有更多的转换。但是如果我们说int *ip = (int *)10;，我们实际上并没有对值 10 做任何事情，我们只是将它重新解释为一个指针。如果我们说char *cp = (char *)ip，我们又没有改变任何东西，我们只是重新解释了一种不同的指针。

不过，我赶紧补充一下，我在这里所说的关于指针转换的所有内容都是 (a) 非常低级且依赖于机器的，并且 (b) 不是普通 C 程序员应该具备的那种东西在普通的编程任务中考虑，以及 (c) C 语言不保证。

特别是，即使在为具有传统线性寻址内存模型的计算机编程时，您的程序也可能无法访问地址 10，因此这些指针（cp 和 ip）可能是非常没用，如果您尝试使用它们可能会产生异常。 （另外，当我们有一个像 ip 这样指向超过 1 个字节的指针时，就会出现它指向哪些字节的问题。如果 ip 是 10，它可能指向 16 位上的字节 10 和 11 ，字节寻址的机器，但是这两个字节中哪个是int的低位，哪个是高位？这取决于它是“big endian”还是“little endian”机器。）

然后我们来到空指针。当您使用常量“0”作为指针值时，情况会有所不同。如果你说

void *p = (void *)0;

严格来说，您并不是在说“使p 指向地址0”。相反，您是在说“使 p 成为空指针”。但事实证明这与强制转换无关，这是因为语言中的一种特殊情况：在指针上下文中，常量 0 表示 空指针常量。

空指针是一个特殊的指针值，它被定义为不指向任何地方。它可能在内部表示为指向地址 0 的指针，也可能以其他方式表示。 （如果它实际上表示为指向地址 0 的指针，您的编译器会小心安排在地址 0 处永远不会有任何实际数据，因此即使指针指向地址 0，指针“不指向任何地方”仍然是正确的. 这有点令人困惑，对此感到抱歉。）

虽然指向像10 这样的原始地址的指针是低级的、危险的并且依赖于机器，但空指针是定义明确的并且非常好。例如，当您调用malloc 并且它无法为您提供所需的内存时，它会返回一个空指针来告诉您。当您测试malloc 的返回值以查看它是成功还是失败时，您只需检查它是否给了您一个空指针，并且没有任何低级、不可移植或不鼓励这样做。

有关这一切的更多信息，请参阅http://c-faq.com/null/index.html。

Answer 2

指针是字节的短排列。通过强制转换，C 允许假装这些字节代表一个整数。

Type* p = ...;
intptr_t i = (intptr_t)p;

当您需要将指针传递给期望整数的接口时，这偶尔（但很少）有用。要恢复指针，只需反转转换即可。

Type* recovered_p = (Type*)i;

这不会分配任何内存。如果i 包含的字节如果被视为Type*，则只能引用recovered_p，则引用先前分配的Type 值。这意味着以下内容不会产生可用的指针：

int *p = (int*)10;

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使用整数存储指针的示例。

typedef void (*Visitor)(intptr_t, ListNode*);

void List_visit(List* list, Visitor visitor, intptr_t arg) {
   for (ListNode* node = list->head; node; node=node->next) {
      visitor(arg, node);
   }
}

void printer(intptr_t arg, ListNode* node) {
   State* state = (intptr_t)arg;
   printf("%*s%s\n", ( state->count++ )*2, "", node->value);
}

int main(void) {
   List* list = ...;
   State* state = ...;
   List_visit(list, printer, (intptr_t)state);
   List_free(list);
   State_free(state);
   return 0;
}