是什么使glibc malloc能够比较来自不同“对象”的指针？

Question

将指针与关系运算符（例如<、<=、=或)进行比较，只有当指针都指向同一个聚合对象（结构、数组或联合）时，C标准才定义。在实践中，这意味着

if (start_object <= my_pointer && my_pointer < end_object+1) {

可以变成

if (1) {

通过优化编译器。尽管如此，在K&R第8.7节“示例-一个存储分配器”中，作者做了与上面类似的比较。他们借口说

但是，仍然有一个假设，即sbrk返回的指向不同块的指针可以进行有意义的比较。这不是标准所保证的，标准只允许在数组内进行指针比较。因此，malloc的这个版本只在一般指针比较有意义的机器中可移植。

此外，glibc中使用的malloc的实现也做了同样的事情！

更糟糕的是--我一开始偶然发现这个的原因是--对于一个学校作业，我应该实现一个类似于malloc的基本函数，而作业的说明要求我们使用K&R代码，但是我们必须用对mmap的调用替换sbrk的调用！

虽然比较来自不同SBRK调用的指针可能是未定义的，但这也只是有点可疑，因为您有某种心理直觉，返回的指针应该来自某种相同的内存区域。据我所知，由不同的mmap调用返回的指针甚至不能保证彼此远程相似，并且跨mmap调用合并/合并内存块应该是非常非法的（glibc似乎避免了这一点，只需要合并由sbrk或在mmap页内部返回的内存，而不是跨页），但是分配需要这样做。

问题：有人能照点光吗

1. 比较来自不同调用的指向SBRK的指针是否可以被优化，以及
2. 如果是这样，glibc做了什么让他们逍遥法外。

Answer 1

律师回答的语言（我相信）可以在C99标准§6.5.8.5中找到（或者更准确地说，来自ISO/IEC 9899:TC3委员会草案-2007年9月7日WG14/N1256，该草案几乎相同，但我手头没有原件），其中关于关系运算符（即<、<=、、>=):

当比较两个指针时，结果取决于所指向的对象在地址空间中的相对位置。如果指向对象或不完整类型的两个指针都指向同一个对象，或者都指向同一个数组对象的最后一个元素，则它们比较相等。如果指向的对象是同一聚合对象的成员，则指向稍后声明的结构成员的指针比指向结构中先前声明的成员的指针大，指向下标值较大的数组元素的指针比指向下标值较低的同一数组元素的指针大。指向同一union对象成员的所有指针比较相等。如果表达式p指向数组对象的元素，而表达式q指向同一数组对象的最后一个元素，则指针表达式q+1的比较值大于p。在所有其他情况下，行为是未定义的。

（C11文本相同或接近相同）

这在一开始似乎没有帮助，或者至少表明每个实现都利用了未定义的行为。然而，我认为，你要么可以将这种行为合理化，要么可以使用一种方法。

指定的C指针要么是null，要么是从使用&获取对象地址派生的，要么是通过指针算术，或者是通过某个函数的结果派生的。在这种情况下，它们由SBRK或mmap系统调用的结果派生。这些系统调用真正返回什么？在寄存器级别，它们返回大小为UINTPTR_T（或INTPTR_T)的整数。实际上是系统调用接口将它们强制转换为指针。正如我们所知，指针与UINTPTR_T（或INTPTR_T)之间的强制转换是双射型的定义，我们知道我们可以将指针强制转换到UINTPTR_T（例如）并对它们进行比较，这将对指针施加良好的顺序关系。wikipedia链接提供了更多的信息，但这实际上将确保每个比较都有很好的定义，以及其他有用的属性，如A 和 B 暗示 A 。（我也不能选择完全任意的顺序，因为它需要满足C99§6.5.8.5的其他要求，这使得我只能选择 intptr_t和 uintptr_t。）

我们可以利用这一点来编写（可以说更好）：

if ((uintptr_t)start_object <= (uintptr_t)my_pointer && (uintptr_t)my_pointer < (uintptr_t)(end_object+1)) {

这里有个尼特。您将注意到，我将其种姓为uintptr_t而不是intptr_t。为什么那是正确的选择？事实上，我为什么不选择一个比较奇怪的顺序，比如反转位和比较？这里的假设是，我选择了与内核相同的顺序，特别是我对<的定义（由顺序给出）是这样的，即任何分配的内存块的开始和结束总是start 。在我所知道的所有现代平台上，都没有“环绕”（例如，内核不会分配从 0xFFFF8000开始到 0x00007FFFF结束的32位内存）--不过请注意，类似的环绕过去也曾被利用过。

C标准规定指针比较在许多情况下会给出未定义的结果。但是，这里您是从系统调用返回的整数中构建自己的指针。因此，您可以比较整数，或者通过将指针转换回整数来比较指针（利用转换的双重性）。如果只是比较指针，则依赖于C编译器对指针比较的实现是正常的，这几乎可以肯定，但不能保证。

>

是否可以优化从不同调用到sbrk的比较指针，以及

如果是这样，glibc的所作所为让他们逍遥法外。

在上面给出的公式中，start_object等实际上是void*，那么计算可能会被优化掉（例如，可能会做您想做的事情），但不能保证这样做，因为行为是未定义的。如果内核使用与强制转换所暗示的相同的井序，强制转换将保证它这样做。