C/C++结构不完整成员类型不一致？

Question

假设我们在 C 或 C++ 中定义了两个结构（我在 C 和 C++ 中得到相同的结果，并且我认为规则是相同的，如果不是，请告诉我）。

具有不完整类型的值成员：

struct abc{
  int data;
  struct nonexsitnow next; //error: field ‘next’ has incomplete type, makes sense since "struct nonexsitnow" hasn't been declared or defined.
};

还有一个带有不完整类型的指针成员：

struct abc{
  int data;
  struct nonexsitnow *next; //pass?!
};

为什么第二个定义不会引起任何问题？它使用尚未创建的struct nonexsitnow！

更新：

我从下面的答案和 cmet 中总结了这张表，希望它们是正确的并且对阐述有所帮助。

正如@ArneVogel 所提到的，struct Foo p; 和struct Foo *p; 都是Foo 的隐式声明，而struct Foo; 明确地完成了这项工作（感谢@John Bollinger）。这对c 几乎没有任何意义，但对c++ 和行为有影响：

               In a situation where struct Foo is:
_______________________________________________________
|               | undeclared | declared but | defined |
|               |            | not defined  |         |
-------------------------------------------------------
|               |  C | C++   |  C  |  C++   | C | C++ |
-------------------------------------------------------
|struct Foo  p; |  × |  ×    |  ×  |   ×    | √ |  √  |
|struct Foo* p; |  √ |  √    |  √  |   √    | √ |  √  |
|       Foo  p; |  × |  ×    |  ×  |   ×    | × |  √  |
|       Foo* p; |  × |  ×    |  ×  |   √    | × |  √  |

Answer 1

为什么第二个结构体定义没有问题？

因为它是一个指针。即使指针指向的类型不完整，编译器也知道指针的大小。

Answer 2

编译器需要结构/类的大小才能知道在实例化此类类型时必须分配多少内存。

在给定的平台上，sizeof(T*) 将始终返回相同的值，对于任何类型 T 是结构或类类型。

这就是为什么您可以使用指向前向声明类型的指针而不会出错。当然，要访问该指针指向的对象的内容或取消引用它，必须提供定义。但是，您可以为此类指针赋值（只要在类型兼容性方面允许）。

一个重要的事实：

在 C 中，您通常使用所谓的“C 样式转换”，通常可以执行指针分配而不管类型（确保正确行为和满足对齐要求是您的责任）。

然而，在 C++ 中，是否可以在不完整类型之间进行转换取决于转换的类型。考虑两种多态类型：

class A; // forward declaration only
class B; // forward declaration only, actually inherits from A

A* aptr;
B* bptr;

bptr = (B*)(aptr); // ok
bptr = dynamic_cast<B*>(aptr); // error

dynamic_cast<> 如果编译器无权访问类型转换中涉及的类型定义（这是执行运行时检查所必需的），则将失败。示例：Ideone。

Answer 3

首先，您需要了解类型“不完整”意味着什么。 C 是这样定义的：

在翻译单元内的不同点，对象类型可能是 不完整（缺乏足够的信息来确定 该类型的对象）或完整（具有足够的信息）。

(C2011, 6.2.5/1)

请注意，类型完整性是声明的范围和可见性的函数，而不是类型的固有特征。一个类型可以在翻译单元中的某一点不完整，而在另一点完整。

然而，

指针类型可以派生自函数类型或对象类型， 称为引用类型。 [...] 指针类型是一个完整的对象 输入。

（C2011，6.2.5/20；已添加重点）

那么，如果没有限定，所有指针类型都是完整类型，即使是其引用类型本身不完整的指针。 特定实现如何 标准没有解决这个问题，但通常，所有指向结构的指针类型都具有相同的大小和表示形式（这与其引用类型的表示形式无关)。

事实证明这很重要，因为结构类型在其定义的右大括号之前是不完整的，所以如果指向不完整类型的指针本身不完整，那么一个结构不能包含指向其自身类型的另一个结构的指针，例如常用于实现链表、树和其他数据结构。

另一方面，

未知内容的结构或联合类型 [...] 是不完全类型。它已完成，对于所有声明 类型，通过声明与其定义相同的结构或联合标记 稍后在同一范围内的内容。

(C2011, 6.2.5/22)

这是有道理的，因为如果编译器不知道其成员是什么，它就无法知道结构类型有多大。那么，

结构或联合不得包含不完整或 函数类型（因此，结构不应包含 本身，但可能包含指向自身实例的指针），除了 具有多个命名成员的结构的最后一个成员 可能有不完整的数组类型 [...]。

（C2011，6.7.2.1/3；已添加重点）

该例外描述了一个称为“灵活数组成员”的 C 功能，它带有一些警告和限制。这是一个无关紧要的问题，您可以单独阅读（或询问）。

此外，上述所有内容都与 C 和 C++ 允许您在声明其成员之前通过其标记引用结构类型这一事实相一致；也就是说，当它不完整时。这可以作为前向声明单独完成...

struct foo;

...但这仅用于文档目的，因为不需要结构类型的前向声明。您可以再考虑一下链表的用法，但此特性绝不限于此类上下文。

确实，一个相对常见的用例是实现不透明类型。在这种情况下，出于各种原因，库会生成并使用不想公开其实现的数据类型。尽管如此，它仍可以将指向此类结构实例的适当类型的指针分发给客户端代码，并期望接收回此类指针。如果它从不提供引用类型的定义，则客户端代码必须将引用的对象视为不透明的 blob。

Answer 4

简短的回答是，因为c 和c++ 标准都这么说。

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其他人回答“因为编译器知道指针有多大”。但这并不能回答为什么。有些语言允许在其他类型中包含不完整类型，并且它们工作正常。

如果这些假设发生变化，C/C++ 将支持结构中的不完整结构：

1. C/C++ 实际上存储值。许多语言在给定复合数据类型（类或结构）时，会存储引用或指针，而不是该复合数据类型的实际值

2. C/C++ 想知道完整类型有多大。它希望能够创建数组，计算它们的大小，计算元素之间的偏移量。

3. C/C++ 需要单遍编译。如果编译器愿意注意到那里有一个不完整的类型，则继续编译直到它稍后发现它有多大，然后回来将类型的大小插入到生成的代码中，不完整类型会很好。

4. C/C++ 希望类型在你定义之后是完整的。您可以轻松地插入一条规则，说明 abc 仅在 nonexistnow 的定义可见时才完成。相反，C++ 希望 abc 在关闭 } 之后立即完成，这可能是为了简单起见。

最后，指向结构的指针满足所有这些要求，因为 C++ 标准要求它们这样做。这似乎是一个警察，但这是真的：

在某些平台上，指针的大小随所指向事物的特征而变化（特别是，在本机指针地址四字较大的平台上，指向单字节字符的指针）。 C/C++ 允许这样做，但要求void* 足够大以容纳最大指针，并且指向结构的指针具有固定大小。这会伤害这些平台，但他们愿意这样做是为了允许在完整结构中指向不完整结构的指针。

编译器很可能宁愿 struct small { char c; } 大小为 1 字节，因此指向它的指针是“宽的”；但是因为所有指向结构的指针都必须具有相同的大小，并且他们不想对每个结构都使用宽指针，所以我们在此类系统上使用了sizeof(small) == 4。

所有指针的大小都不是计算法则，结构必须知道它们有多大也不是法则。这些都是c++ 和c 的法律，选择这些法律是有原因的。

但是一旦你有了这些理由，你就不得不得出结论，structs 的成员必须知道大小（和对齐），而不完整的结构则不需要。同时，指向不完整结构的指针也可以。所以一个是允许的，另一个是不允许的。