相对指针的可移植 C 实现

Question

我将相对指针定义为Ginger Bill describes as Self-Relative Pointers：

... 将 [偏移量将应用到的] 定义为偏移量本身的内存地址

例如，考虑这个结构：

struct house {
  int32_t weight;
}
struct person {
  int32_t age;
  struct house* residence;
}
int32_t getPersonsHousesWeight(struct person* p) {
  return p->residence->weight;
}

我认为可能可行的 C 语言中相同事物的相对指针实现是：

struct house { ... } // same as before
struct person {
  int32_t age;
  int64_t residence; // an offset from the person's address in memory
}
int32_t getPersonsHousesWeight(struct person* p) {
  return ((struct residence*)((char*)p + (p->residence)))->weight;
}

假设一切都对齐良好（全部 8 个字节），这是否没有未定义的行为？

编辑

@tstanisl 提供了一个很好的答案（我已经接受了），它在堆栈分配的上下文中彻底解释了 UB。我很好奇分配到一大块连续堆中会如何影响这个分析。例如：

int foo(void) {
  char* base = mmap(NULL,4096,PROT_WRITE | PROT_READ,-1,MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS);
  // Omitting mmap error checking
  struct person* myPerson = (struct person*)(base + 128);
  struct house* myHouse = (struct house*)(base + 256);
  int32_t delta = (char*)myHouse - (char*)myPerson;
  // Does the computation of delta invoke UB?
}

Answer 1

通常它将是 UB。 第一种情况是person 和house 属于单独的对象。 在这种情况下，它将是 UB，因为指针算术是在对象之外执行的。

int foo(void) {
  struct person p;
  struct house h;
  p.residence = (char*)&h - (char*)&p; // already UB
  getPersonsHousesWeight(&p); // UB again
}

实际上，这意味着编译器没有义务注意到从&p 构造的指针访问的对象可以与对象h 别名，因为p 和h 是单独的内存区域（又名对象）。

当两个对象都放在一个更大的对象中时，情况会好一些。虽然它仍然是技术 UB。

int foo(void) {
  struct ph {
    struct person p;
    struct house h;
  } ph;
  ph.p.residence = (char*)&ph.h - (char*)&ph.p; // still UB
  getPersonsHousesWeight(&ph.p); // UB again
}

它是 UB，因为指针运算是在成员对象之外完成的。 (char*)&ph.h - 1 是ph.h 之外的指针。

请注意，此代码几乎可以在任何地方使用。 否则，大量使用类似container_of 的宏将无法破坏包括 Linux 内核在内的大量现有代码。

为避免 UB，必须以特殊方式构造指针以避免移动到原始对象之外。 而不是使用&ph.h 应该使用(char*)&ph + offsetof(struct ph, h)。 同样&ph.p 应替换为(char*)&ph + offsetof(struct ph, p)。

现在这段代码应该是可移植的：

int foo(void) {
  struct ph {
    struct person p;
    struct house h;
  } ph;
  struct person *p_ptr = (struct person*)((char*)&ph + offsetof(struct ph, p));
  struct house  *h_ptr = (struct house*) ((char*)&ph + offsetof(struct ph, h));
  ph.p.residence = (char*)h_ptr - (char*)p_ptr;
  getPersonsHousesWeight(p_ptr);
}

虽然它非常晦涩。 关于这个话题的有趣讨论可以在link

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