C中结构中可变长度数组的奇怪行为

Question

我遇到了一些人称之为“结构黑客”的概念，我们可以在结构中声明一个指针变量，如下所示：

struct myStruct{
    int data;
    int *array;
};

之后，当我们在main() 函数中使用malloc 为struct myStruct 分配内存时，我们可以在同一步骤中同时为int *array 指针分配内存，如下所示：

struct myStruct *p = malloc(sizeof(struct myStruct) + 100 * sizeof(int));

p->array = p+1;

而不是

struct myStruct *p = malloc(sizeof(struct myStruct));

p->array = malloc(100 * sizeof(int));

假设我们想要一个大小为 100 的数组。

据说第一个选项更好，因为我们将获得一个连续的内存块，我们可以通过一次调用 free() 来释放整个块，而在后一种情况下调用两次。

实验，我写了这个：

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

struct myStruct{
    int i;
    int *array;
};

int main(){
    /* I ask for only 40 more bytes (10 * sizeof(int)) */

    struct myStruct *p = malloc(sizeof(struct myStruct) + 10 * sizeof(int)); 

    p->array = p+1; 

    /* I assign values way beyond the initial allocation*/
    for (int i = 0; i < 804; i++){
        p->array[i] = i;
    }

    /* printing*/
    for (int i = 0; i < 804; i++){
        printf("%d\n",p->array[i]);
    }

    return 0;
}

我能够毫无问题地执行它，没有任何分段错误。我觉得很奇怪。

我还了解到 C99 有一条规定，我们可以在结构中声明 int *array，而不是在结构中声明 int array[]，而我这样做了，仅对结构使用 malloc()，例如

struct myStruct *p = malloc(sizeof(struct myStruct));

并像这样初始化数组[]

p->array[10] = 0; /* I hope this sets the array size to 10 
                    and also initialises array entries to 0 */

但是又一次奇怪的是，我能够访问和分配超出数组大小的数组索引并打印条目：

for(int i = 0; i < 296; i++){ // first loop
    p->array[i] = i;
}

for(int i = 0; i < 296; i++){ // second loop
    printf("%d\n",p->array[i]);
}

在打印p->array[i] 到i = 296 之后，它给了我一个分段错误，但显然它在分配i = 9 之外没有问题。 （如果我在上面的第一个 for 循环中将 'i' 增加到 300，我会立即遇到分段错误，并且程序不会打印任何值。）

关于发生了什么的任何线索？是未定义的行为还是什么？

编辑：当我使用命令编译第一个 sn-p 时

cc -Wall -g -std=c11 -O    struct3.c   -o struct3

我收到了这个警告：

 warning: incompatible pointer types assigning to 'int *' from
  'struct str *' [-Wincompatible-pointer-types]
    p->array = p+1;

Answer 1

是的，您在此处看到的是未定义行为的示例。

写入超出分配数组的末尾（又名缓冲区溢出）是未定义行为的一个很好的例子：它通常看起来“正常工作”，而其他时候它会崩溃（例如“分段错误”）。

一个低级的解释：内存中的控制结构与分配的对象有一定距离。如果您的程序发生大缓冲区溢出，则更有可能损坏这些控制结构，而对于较小的溢出，它将损坏一些未使用的数据（例如填充）。然而，在任何情况下，缓冲区溢出都会引发未定义的行为。

第一种形式的“struct hack”也调用未定义的行为（如警告所示），但属于特殊类型 - 在大多数编译器中，几乎可以保证它始终正常工作。但是，它仍然是未定义的行为，因此不建议使用。为了批准它的使用，C 委员会发明了这种“灵活的数组成员”语法（您的第二种语法），它保证可以工作。

只是为了说清楚-分配给数组的元素永远不会为该元素分配空间（至少在C中不是）。在 C 中，当分配给一个元素时，它应该已经被分配了，即使数组是“灵活的”。您的代码在分配内存时应该知道要分配多少。如果您不知道要分配多少，请使用以下技术之一：

• 分配一个上限： struct myStruct{ int data; int array[100]; // you will never need more than 100 numbers };
• 使用realloc
• 使用链表（或任何其他复杂的数据结构）

Answer 2

您所说的“结构黑客”确实是一种黑客行为。这不值得 IMO。

p->array = p+1;

会在许多需要显式转换的编译器上给您带来问题：

p->array = (int *) (p+1);

我能够毫无问题地执行它，没有任何分段错误。我觉得很奇怪。

这是未定义的行为。您正在访问堆上的内存，许多编译器和操作系统不会阻止您这样做。但是使用它是非常糟糕的做法。