为结构和数组指定别名是否合法？

Question

在结构中相同类型的连续成员之间的指针算术曾经是一种常见做法，而指针算术仅在数组中有效。在C中，它将是显式的未定义行为，因为数组只能由声明或新表达式创建。但是C语言将数组定义为连续分配的非空对象集，具有特定的成员对象类型，称为元素类型。（N1570 草案为 C11，6.2.5 类型 §20）。因此，如果我们可以确保成员是连续的（意味着它们之间没有填充），那么将其视为数组可能是合法的。

下面是一个简化的示例，它编译时没有警告，并在运行时给出预期的结果:

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <assert.h>

struct quad {
    int x;
    int y;
    int z;
    int t;
};

int main() {
    // ensure members are consecutive (note 1)
    static_assert(offsetof(struct quad, t) == 3 * sizeof(int),
        "unexpected padding in quad struct");
    struct quad q;
    int *ix = &q.x;
    for(int i=0; i<4; i++) {
        ix[i] = i;
    }
    printf("Quad: %d %d %d %d\n", q.x, q.y, q.z, q.t);
    return 0;
}

这在这里实际上没有意义，但是我已经看到了真实世界的例子，其中在结构的成员之间迭代允许更简单的代码，并且输入错误的风险更小。

问题：

在上面的示例中，static_assert是否足以使结构的别名与数组合法？

（注1）由于结构描述的是按顺序分配的非空成员对象集，因此后续成员必须具有递增的地址。简单地说，编译器可以包括它们之间的填充。因此，如果 3 倍大小 （int） 加上它之前的总填充，则最后一个成员（此处为 t）的偏移量。如果偏移量正好是 3 * 大小（int），则结构中没有填充

作为副本提出的问题包含一个被接受的答案和一个1答案，前者让let认为它是UB，后者让let认为它是合法的，因为我可以确保不存在填充

Answer 1

我要和UB争论。首先，6.5.6添加剂操作员的强制性引用：

当具有整数类型的表达式被添加到指针或从指针中减去时，结果具有指针操作数的类型。如果指针操作数指向数组对象的元素，并且数组足够大，则结果指向从原始元素偏移的元素，使得结果数组元素和原始数组元素的下标之差等于整数表达式。换句话说，如果表达式P指向数组对象的第I个元素，则表达式(P) N(等价地，N (P))和(P)-N(其中N的值为N)分别指向数组对象的第In个和第i-n个元素，前提是它们存在。此外，如果表达式P指向数组对象的最后一个元素，则表达式(P) 1指向数组对象的最后一个元素之后的一个元素，如果表达式Q指向数组对象的最后一个元素之后的一个元素，则表达式(Q)-1指向数组对象的最后一个元素。如果指针操作数和结果都指向同一个数组对象的元素，或者都超过数组对象的最后一个元素，则求值不应产生溢出；否则，行为是未定义的。如果结果比数组对象的最后一个元素多一位，则它不能用作一元*运算符的操作数。

我强调了我认为问题的关键。你说数组对象是“具有特定成员对象类型（称为元素类型）的连续分配的非空对象集”，这是对的。但是反过来是真的吗？连续分配的一组对象构成数组对象吗？

我要说不。对象需要显式创建。

因此，对于您的示例，没有数组对象。在 C 中通常有两种方法可以创建对象，使用自动、静态或线程本地持续时间声明它们。或者分配它们并为存储提供有效的类型。您没有创建数组。这使得算术正式未定义。

Answer 2

这里的问题是您对连续分配的定义:“我们可以确保成员是连续的(意味着它们之间没有填充)”。

尽管这是连续分配的必然结果，但它并没有定义属性。

您的结构成员是具有自动存储持续时间的单独变量，按照特定顺序进行填充或不填充，这取决于您如何控制编译器，仅此而已。因此，给定另一个成员的地址，您不能使用指针算术来到达一个成员，并且这样做的行为是未定义的。

Answer 3

不，将struct和数组别名为这样是不合法的，这违反了严格的别名。解决方法是将结构包装在联合中，该联合包含数组和单个成员：

union something {
  struct quad {
    int x;
    int y;
    int z;
    int t;
  };

  int array [4];
};

这将避免严格的别名冲突，但您可能仍然具有填充字节。您可以使用静态断言检测到它。

另一个问题仍然存在，那就是你不能在指向结构的第一个成员的< code>int*上使用指针算法，因为在加法运算符的指定行为中列出了各种模糊的原因——它们要求指针指向一个数组类型。

避免所有这些的最佳方法是简单地使用上面联合的数组成员。这与静态断言一起产生定义明确，坚固耐用且可移植的代码。

（理论上，您也可以使用指向字符类型的指针来遍历结构——不像int*，这是允许的6.3.2.3/7.但如果您对单个字节不感兴趣，这是一个更混乱的解决方案。）