从具有灵活数组成员的结构转换为没有其他相同成员的结构是否是未定义的行为？

Question

我想要一个可变大小的结构，但我想将具有一定大小的结构的实例嵌入到另一个结构中。想法是这样的：

struct grid {
    size_t width, height;
    int items[ /* width * height */ ];
};

struct grid_1x1 {
    size_t width, height;
    int items[1];
};

struct grid_holder {
    struct grid_1x1 a, b;
};

int main(void)
{
    struct grid_holder h = {
        .a = { .width = 1, .height = 1, .items = { 0 } },
        .b = { .width = 1, .height = 1, .items = { 0 } },
    };
    struct grid *a = (struct grid *)&h.a, *b = (struct grid *)&h.b;
}

如果我的所有代码都假定struct grid 的items 成员具有width * height 元素，那么可以像上面那样转换a 和b 吗？

换句话说，一个元素的灵活数组成员是否总是与一个元素的固定大小的数组成员具有相同的偏移量和大小，假设结构在其他方面是相同的？我想要一个基于 C99 标准的答案。如果偏移量可能不同，是否有其他方法可以实现我在开头所述的目标？

Answer 1

是的，C 标准没有定义该行为。

C 2018 6.5 7 或 C 1999 6.5 7 中关于哪些类型可用于访问对象的规则不仅仅是关于对象的布局和表示方式。所以问题中的句子“换句话说，一个元素的灵活数组成员是否总是具有与一个元素的固定大小数组成员相同的偏移量和大小，假设结构在其他方面是相同的？”是不正确的。具有相同的偏移量和大小，即使具有相同的结构定义，也不能使结构兼容别名。

不同的结构是故意不同的类型。考虑这两种类型：

typedef struct { double real, imaginary; } Complex;
typedef struct { double x, y; } Coordinates;

这些结构具有相同的定义（除了成员名称，但即使它们的名称相同，以下也成立），但根据 C 标准，它们是不同且不兼容的类型。这意味着在一个例程中，例如：

double foo(Complex *a, Coordinates *b)
{
    a->real = 3; a->imaginary = 4;
    b->x = 5; b->y = 6;
    return sqrt(a->real*a->real + a->imaginary*a->imaginary);
}

允许编译器将最后一条语句优化为return 5;，因为b->x = 5; b->y = 6; 不能更改a，因为a 和b 不能指向同一个对象，或者，如果它们是，b->x = 5; b->y = 6; 的行为未定义。

因此，关于别名的 C 规则是关于兼容类型以及特定情况下的各种例外。它们主要不是关于结构的布局。

与上面具有不同但相同定义的结构的示例相比，当我们有多个指向相同结构类型的指针时，编译器不能假定a 和b 不是别名（不同的名称）同一个对象。在：

double foo(Complex *a, Complex *b)
{
    a->real = 3; a->imaginary = 4;
    b->real = 5; b->imaginary = 6;
    return sqrt(a->real*a->real + a->imaginary*a->imaginary);
}

编译器不能假定返回值为 5，因为a 和b 可能指向同一个对象，在这种情况下b->real = 5; b->imaginary = 6; 会更改a 的内容。

Answer 2

您需要担心两个不同的问题：

1. 标准允许实现在结构成员之间放置任意数量的填充，前提是任何结构成员之前的填充总量仅受该成员和前面成员的类型影响。为此，不同大小的数组被认为是不同的类型。至少在理论上，一些针对奇怪架构的实现可能会根据数组的大小改变数组之前的填充。例如，在地址标识 32 位字但有指令在其中读取和写入 8 位块的平台上，给定 struct x1 { long l; char a,b[4], c;}; 的实现可以决定填充 b 的开头，以便整个事情适合一个单词，即使给定struct x1 { long l; char a,b[5], c;}; 的相同实现不会添加这样的填充（因为b 的部分将在两个单词之间拆分）。我不知道有任何实际做这些事情的实现，但委员会可能预计，这种松懈唯一重要的时候是编译器是否正在此类平台上开发和使用，在这种情况下，使用此类平台的人会比委员会更能判断不同填充方法的利弊。

2. 尽管所有迹象表明通用初始序列规则旨在允许使用指向一种结构类型的指针来检查其他结构类型的通用初始序列的任何部分（这种能力记录在 1974 C参考指南，并且在将联合添加到语言中之后，编译器将不得不竭尽全力支持联合的这种用法，而不支持结构指针），clang 和 gcc 的作者认为任何会破坏的代码依赖这种处理，并积极拒绝支持这种代码，除非使用 -fno-strict-aliasing 标志。

我认为第一个问题纯粹是理论上的，但第二个问题意味着任何尝试使用指针访问多个单独声明的结构类型的代码在使用 gcc 或构建时都需要使用 -fno-strict-aliasing 选项铛。这不应该是一个问题，但第二个问题意味着任何其代码可能与 clang 或 gcc 一起使用的人都需要确保任何使用这些编译器的人都知道需要-fno-strict-aliasing（即“不要钝”）标志。据我所知，即使在使用-fstrict-aliasing 时，为付费客户设计的编译器也能有效地支持这些结构，因为支持它们很有用而且并不困难，但 gcc 和 clang 的维护者在意识形态上反对这种支持。