使用指向过去的 malloc 的指针是否定义明确？

Question

在 C 中，创建一个指向数组最后一个元素之后的指针并在指针算术中使用它是非常好的，只要你不取消引用它：

int a[5], *p = a+5, diff = p-a; // Well-defined

但是，这些是 UB：

p = a+6;
int b = *(a+5), diff = p-a; // Dereferencing and pointer arithmetic

现在我有一个问题：这是否适用于动态分配的内存？假设我只在指针算术中使用指向过去最后一个的指针，而不取消引用它，并且malloc() 成功。

int *a = malloc(5 * sizeof(*a));
assert(a != NULL, "Memory allocation failed");
// Question:
int *p = a+5;
int diff = p-a; // Use in pointer arithmetic?

Answer 1

C11 的 n4296 草案明确指出，指向数组后面的指针是完全定义的：6.5.6 语言/表达式/加法运算符：

§ 8 当一个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。 ...此外，如果表达式 P 指向最后一个 数组对象的元素，表达式 (P)+1 指向数组对象的最后一个元素 数组对象，如果表达式 Q 指向数组对象的最后一个元素， 表达式 (Q)-1 指向数组对象的最后一个元素...如果结果指向数组对象的最后一个元素，则它 不得用作被评估的一元 * 运算符的操作数。

由于内存的类型从未在子句中明确，它适用于任何类型的内存，包括分配的内存。

这显然意味着之后：

int *a = malloc(5 * sizeof(*a));
assert(a != NULL, "Memory allocation failed");

两个

int *p = a+5;
int diff = p-a;

已完美定义，并且按照通常的指针算术规则适用，diff 应接收值 5。

Answer 2

使用指向过去的malloc的指针是否定义明确？

如果p 指向已分配内存之后的一个并且它未被取消引用，则它是明确定义的。

n1570 - §6.5.6 (p8)：

[...] 如果结果指向数组对象的最后一个元素后一个，则不应将其用作计算的一元 * 运算符的操作数。

两个指针的减法只有在它们指向同一个数组对象的元素或超过数组对象的最后一个元素时才有效，否则会导致未定义的行为。

(p9)：

当两个指针相减时，两个指针都指向同一个数组对象的元素，或者指向数组对象最后一个元素的元素[...]

上面的引用非常适用于动态和静态分配的内存。

int a[5];
ptrdiff_t diff = &a[5] - &a[0]; // Well-defined

int *d = malloc(5 * sizeof(*d));
assert(d != NULL, "Memory allocation failed");
diff = &d[5] - &d[0];        // Well-defined

正如Jonathan Leffler 在comment 中指出的那样，这对动态分配的内存有效的另一个原因是：

§7.22.3(p1)：

连续调用aligned_alloc、calloc、malloc 和realloc 函数分配的存储顺序和连续性未指定。如果分配成功，则返回的指针经过适当对齐，以便可以将其分配给指向具有基本对齐要求的任何类型对象的指针，然后用于访问此类对象或此类对象的数组在分配的空间中（直到空间被显式释放）。

上面sn-p中malloc返回的指针赋值给d，分配的内存是一个由5个int对象组成的数组。

Answer 3

是的，相同的规则适用于具有动态和自动存储期限的变量。它甚至适用于对单个元素的 malloc 请求（在这方面，标量等效于单元素数组）。

指针运算仅在数组内有效，包括数组末尾的一个。

在取消引用时，重要的是要注意一个注意事项：关于初始化 int a[5] = {0};，编译器不得尝试在表达式 int* p = &a[5] 中取消引用 a[5]；它必须将其编译为 int* p = a + 5; 同样，同样的事情适用于动态存储。

Answer 4

使用指向过去的malloc的指针是否定义明确？

是的，但存在一个没有明确定义的极端情况：

void foo(size_t n) {
  int *a = malloc(n * sizeof *a);
  assert(a != NULL || n == 0, "Memory allocation failed");
  int *p = a+n;
  intptr_t diff = p-a;
  ...
}

内存管理函数 ...如果请求的空间大小为零，则行为是实现定义的：要么返回空指针，要么行为就像大小是非零值，但返回的指针不得用于访问对象。 C11dr §7.22.3 1

foo(0) --> malloc(0) 可能返回NULL 或non-NULL。在第一个实现中，NULL 的返回不是“内存分配失败”。 这意味着代码正在尝试使用 int *p = NULL + 0; 和 int *p = a+n;，这无法保证指针数学 - 或至少使此类代码受到质疑。

可移植代码通过避免 0 大小分配而受益。

void bar(size_t n) {
  intptr_t diff;
  int *a;
  int *p;
  if (n > 0) {
    a = malloc(n * sizeof *a);
    assert(a != NULL, "Memory allocation failed");
    p = a+n;
    diff = p-a;
  } else {
    a = p = NULL;
    diff = 0;
  }
  ...
}