C结构继承指针对齐

Question

背景

我创建了一个基本的链表数据结构，主要用于学习目的。该列表的一个目标是它可以处理不同的数据结构。因此，我尝试使用结构组合来模拟 C 中的“继承”。以下是构成我的链表基础的结构。

typedef struct Link {
    struct Link* next;
    struct Link* prev;
} Link;

typedef Link List;

在我的实现中，我选择了一个哨兵节点作为列表的头部和尾部（这就是为什么 Link == List）。

为了让列表真正处理数据，结构简单地将 Link 结构作为第一个成员：

typedef struct {
    Link link;
    float data;
} Node;

所以链表看起来像这样。

         ┌───┬───┬───┐     ┌───┬───┐     ┌───┬───┬───┐     
... <--->│ P │ N │ D │<--->│ P │ N │<--->│ P │ N │ D │<---> ... 
         └───┴───┴───┘     └───┴───┘     └───┴───┴───┘
         End Node          myList        First Node

List myList;
Node node1 = {{}, 1.024};
....
Node nodeN = {{}, 3.14};

list_init(&myList) // myList.next = &myList; myList.prev = &myList;
list_append(&myList, &node1);
....
list_append(&myList, &nodeN);

问题

要遍历这个列表，Node 指针最初指向第一个节点。然后它沿着列表遍历，直到它再次指向哨兵然后停止。

void traverse()
{
    Node* ptr;
    for(ptr = myList.next; ptr != &myList; ptr = ptr->link.next)
    {
        printf("%f ", ptr->data);
    }
}

我的问题是ptr != &myList。 此行是否存在指针对齐问题？

for 循环正确地产生警告：（warning: assignment from incompatible pointer type 和 warning: comparison of distinct pointer types lacks a cast）可以通过执行它所说的并强制转换为 Node* 来消除这些警告。然而，这是一个 DumbThingToDo™ 吗？当ptr->data 指向&myList 时，我永远不会访问它，因为循环会在ptr == &myList 终止一次。

TLDR

在 C 结构中，如果 Base 是 Derived 中的第一个成员，则 Base* 可以指向 Derived。如果没有Derived 特定成员被访问，Derived* 是否可以指向 Base？

编辑：用等效的内联代码替换相关的函数调用。

Answer 1

感谢您的演示。

我认为您的实现应该可以正常工作，因为 C 保证结构的地址是其初始成员的地址。撇开 C 关于结构成员对齐的声明不谈，这个保证应该意味着，只要您的实现始终将 Link 作为第一个成员，这不会导致对齐问题。

来自here：C99 §6.7.2.1：

13 在结构对象中，非位域成员和单元 位域所在的地址按顺序增加 在其中声明它们。指向结构对象的指针，适当地 转换后，指向其初始成员（或者如果该成员是 位域，然后到它所在的单元），反之亦然。 结构对象中可能有未命名的填充，但在其 开始

这应该是您对 Base * 和 Derived * 的意思，尽管在纯 C 中不存在这样的东西。它们只是恰好具有相同内存布局的结构。

不过我觉得这样实现有点脆弱，因为Node和Link直接相互依赖。如果你改变 Node 的结构，你的代码就会失效。目前我看不出有一个额外的struct Link 有什么意义，除了你可以为一个新的类型编写一个新的节点来重用链接。

当我看到你的帖子时，我立即想到了一个链表实现，它的工作方式与你打算使用列表的方式非常相似：kernel list

它使用相同的列表元素 (list_head)：

struct list_head {
    struct list_head *next, *prev;
};

它包含这个函数宏：

#define list_for_each_entry(pos, head, member)                          \
      for (pos = list_first_entry(head, typeof(*pos), member);        \
           &pos->member != (head);                                    \
           pos = list_next_entry(pos, member))

如果您查看宏的实现方式，您会发现它提供了对列表条目的迭代，而无需了解列表所包含条目的布局。假设我正确理解您的意图，我认为这就是你想要的样子。

Answer 2

在 C 结构中，如果 Base 是 Derived 中的第一个成员，则 Base* 可以指向 Derived。如果没有访问 Derived 的特定成员，Derived* 是否可以指向 Base？

如果您的意思是“Derived* 可以指向任意 Base（包括不是 Derived 对象的第一个成员）”，那么：从技术上讲，不能。我对Defect Report #74 的理解是对齐要求可以不同。

Q：如果一个结构有一个类型为t的字段，可以对齐吗？ 现场要求与对齐要求不同 不是结构成员的相同类型的对象？如果 (a) 的答案是“是”，那么在适用的情况下，其余的 应该假设已经针对其中的两个对象提出了问题 结构和结构外的对象。

A：子条款 6.1.2.5 说，'... 指向合格或不合格的指针 兼容类型的版本应具有相同的表示和 对齐要求。子条款 6.5.2.1 说，‘每个 结构或联合对象的非位域成员在 适合其类型的实现定义的方式。然后， '因此在结构对象中可能存在未命名的填充， ...根据需要实现适当的对齐。 a) 它是 一个实现可以说明一般性要求 满足子条款 6.1.2.5。这些要求可能会进一步 使用可用的实现定义的行为进行强化 在子条款 6.5.2.1 中。是的，对齐要求可以是 不同。

Answer 3

我在 cmets 中为 ouah 的回答写了这个，但我将把它作为一个单独的答案呈现出来。

正如 ouah 所写，如果您按照 C 标准，理论上您的问题中的代码可能存在对齐问题。但是，我不认为您的代码可能（或不太可能）在其 ABI 表现出这种对齐模式的单一架构上运行。至少我不知道，当然，这包括使用几种不同的桌面和嵌入式架构的经验。我也无法真正想象一个架构会从这种对齐属性中获得什么。

同样值得注意的是，这种模式在实践中确实使用得相当普遍；这有点像你总是可以将ints 放入指针中的事实，因为任何跨平台标准都不能保证它，但几乎没有平台是不正确的，人们一直都在这样做。