将结构指针转换为另一个结构答案

【问题标题】：Cast struct pointer to another struct将结构指针转换为另一个结构
【发布时间】：2023-03-16 00:26:01
【问题描述】：

此代码 sn-p 打印值 5。我不明白为什么。

#include <stdio.h>

struct A
{
    int x;
};

struct B
{
    struct A a;
    int y;
};

void printA(struct A *a)
{
    printf("A obj: %d\n", a->x);
}

int main(void)
{
    struct B b = {
        {
            5
        },
        10
    };
    
    struct A *a = (struct A*)&b;
    printA(a);
    
    printf("Done.\n");
    return 0;
}

当我创建b 时，指向它的指针将指向数据{ {5}, 10 }。

当我将&b 转换为struct A* 时，我向编译器保证此struct A* 指向数据类型为int 的单个数据元素的结构。相反，我为它提供了一个指针，该指针指向数据类型为 struct A、int 的两个数据元素的结构。

即使第二个变量被忽略（因为struct A 只有一个数据成员），我仍然为其提供一个结构，其成员的数据类型为struct A，而不是int。

因此，当我将a 传递给printA 时，会执行a->x 行，本质上是要求访问a 的第一个数据元素。 a 的第一个数据元素是数据类型 struct A，这是由于 %d 需要一个数字而不是 struct A 而导致的类型不匹配。

这里到底发生了什么？

【问题讨论】：

struct A 只是内存中的一个 int。 struct B 只有 2 个整数（以及更复杂结构的任何填充）。你也可以printf("%d", (int*) b) 看到 5。
Casting one C structure into another的可能重复

标签： c struct casting

【解决方案1】：

当我创建b 时，指向它的指针将指向数据{ {5}, 10 }。

是的，从某种意义上说，它是类型适当且值正确的 C 初始值设定项的文本。该文本本身不应字面上被视为结构的值。

当我将 &b 转换为 struct A* 时，我向编译器保证这 struct A* 指向数据类型的单个数据元素的结构诠释。

不，不完全是。您正在将表达式&b 的值转换为类型struct A *。结果指针是否实际指向struct A 是一个单独的问题。

相反，我为它提供了一个指向两个数据结构的指针数据类型struct A、int的元素。

不，不是“代替”。鉴于struct B 的第一个成员是struct A，并且C 禁止在结构的第一个成员之前进行填充，指向struct B 的指针也指向struct A - - B 的第一个成员——在一般意义上。正如@EricPostpischi 在 cmets 中观察到的那样，C 标准明确指定了特定情况下的结果：给定 struct B b，将指向 b 的指针转换为类型 struct A * 会产生指向 b 的第一个成员的指针。 struct A。

即使第二个变量被忽略（因为struct A 只有一个数据成员）我仍然为它提供一个结构，其成员是数据输入struct A，而不是int。

struct B 表示的第一个 sizeof(struct A) 字节构成其第一个成员 struct A 的表示。后者是前者的一员，除了它们在记忆中的重叠外，没有任何物理表现。

即使语言没有明确指定它，鉴于您将变量 b 声明为 struct B，没有实际理由期望表达式 (struct A*)&b == &b.a 的计算结果为 false，并且可以有毫无疑问，右手指针可用于访问struct A。

因此，当我将 a 传递给 printA 时，会执行 a->x 行，本质上是要求访问a 的第一个数据元素。

是的，这是断言a 确实指向struct A 的地方。正如已经讨论过的，它在你的情况下会发生什么。

第一个 a的数据元素是struct A的数据类型，

没有。 *a 定义为 struct A。具体来说，它是struct A，其表示与b 的表示的开头重叠。如果没有这样的struct A，那么行为将是未定义的，但这不是问题。像每个struct A 一样，它有一个成员，由x 指定，即int。

这是类型不匹配由于 %d 需要一个数字，而不是 struct A。

您的意思是期待int。这就是它得到的。这就是表达式a->x 读取的内容，假设行为已被定义，因为那是该表达式的类型。在不同的情况下，行为可能确实没有定义，但在任何情况下，该表达式都不会提供struct A。

这里到底发生了什么？

似乎正在发生的事情是，您正在想象与 C 实际提供的不同的、更高级别的语义。特别是，您似乎将结构的心理模型视为可区分成员对象的列表，这导致您形成错误的期望。

也许您更熟悉 Perl 等弱类型语言或 Python 等动态类型语言，但 C 的工作方式不同。你不能看着一个 C 对象并有用地问“你的类型是什么”？相反，您通过用于访问它的表达式的静态类型的镜头来查看每个对象。

【讨论】：

C 2011 6.7.2.1 15 表示指向经过适当转换的结构的指针（例如，指向指向其第一个成员类型的指针的类型）会产生指向其第一个成员的指针。
谢谢，@EricPostpischil。我已经更新了答案以反映您的观察，这确实导致了更强大的立场。

【解决方案2】：

为什么代码没问题的语言律师解释：

C 中的任何指针都可以转换为任何其他指针类型。（C17 6.3.2 §7）。
转换后取消引用指向的对象是否安全取决于：1) 类型是否兼容并因此正确对齐，以及 2) 是否允许使用的各个指针类型使用别名。
作为一种特殊情况，指向结构类型的指针等价于指向其第一个成员的指针。 C17 6.7.2 §15 的相关部分说：

指向结构对象的指针，适当转换，指向其初始成员（或者如果该成员是位字段，则指向它所在的位置），反之亦然。
这意味着(struct A*)&b 没问题。 &b 被适当地转换为正确的类型。
没有违反“严格别名”，因为我们满足 C17 6.5 §7：
对象的存储值只能由具有以下类型之一的左值表达式访问：
- 与对象的有效类型兼容的类型， ...
- 在其成员中包含上述类型之一的聚合或联合类型
初始成员的有效类型为struct A。在 print 函数内部发生的左值访问很好。 struct B 也是一个聚合类型，在其成员中包含 struct A，因此无论顶部引用的初始成员规则如何，都不可能出现严格的别名违规。

【讨论】：

【解决方案3】：

C 标准中有一条针对这种情况的特殊规则。 C 2011 6.7.2.1 15 说：

一个指向结构对象的指针，经过适当的转换，指向它的初始成员（或者如果该成员是位域，则指向它所在的单元），反之亦然。

【讨论】：