C struct：没有填充的连续字段？答案

【问题标题】：C struct: consecutive fields without padding?C struct：没有填充的连续字段？
【发布时间】：2013-07-21 05:42:30
【问题描述】：

any_t 是任何类型（int、struct something、...）。

考虑这个结构：

struct my_struct {
    any_t val,
    any_t array[10]
}

如果我定义一个变量v:

struct my_struct v;

将&v.val 用作包含11 个any_t 项的数组是否安全？

any_t *p = &v.val;
f(p[0]);
f(p[5]);
f(p[10]);

是否保证val 和array 之间不会添加填充？

【问题讨论】：

【解决方案1】：

仅从 C 标准来看，将 &v.val 用作 11 个 any_t 的数组是不安全的，原因如下：

C 标准允许在结构中使用未命名的内部填充：C 2011 (N1570) 6.7.2.1 15，“结构对象中可能存在未命名的填充，但不是在其开头。” C 实现在val 和array 之间插入填充是不寻常的，因为对齐要求不需要它，但它是允许的，并且在某些情况下它可能是有益的，例如使array 更好与性能（而非必要性）保持一致。
即使保证val 和array 元素的间距与11 个any_t 的数组相同，也不能保证指针算术有效。 C 2011 (N1570) 6.5.6 8 定义了指针算术（包括数组索引），它只要求算术工作在数组内（包括最后一个名义元素）。一些 C 实现使用基址和偏移寻址。在这种情况下，val 的基地址可能无法支持扩展到 array 的偏移量。
即使 C 实现使用简单的平面寻址，它的优化器也可以根据 C 标准进行推导。理论上，优化器可以看到一个指针源自val 的地址，因此不能（根据C 标准）用于寻址array 中的任何内容。例如，如果您执行了any_t *p = &v.val; p[i] = 3; v.array[j] = 4;，优化器可能会将分配给v.array[j] 和p[i] 视为独立并以任何顺序执行它们，即使您可能已设置i 和j 以便它们指向到同一个元素。

【讨论】：

对于超出数组声明大小的指针的实现可以或不能合法地做什么，该标准似乎有点模糊；到目前为止，我还不知道有什么可以证明或反对“struct hack”的“传统”版本（使用大小为一的数组）。然而，关于你的后一点，我认为如果一个结构在 malloc 的空间内，将一个元素的地址转换为 void* 然后回到它的元素类型应该保证事情应该工作，如果事情是实际上位于正确的位置。
除非指定了特定的实现，否则我认为没有任何可移植的方式来对结构成员使用数组式访问，除非已经定义了明确列出的结构成员的偏移数组（以及其他事情，不能保证成员将是等距的），但我认为如果一个结构在 malloc 的空间内，它保证它的成员与其中的适当字节重叠。
使用关于地址空间的模型来推理 C 语义是不正确的（例如，考虑到成员将处于某些字节偏移，因此它们形成一个数组），因为 C 标准没有定义这样的一个模型。为了正确推理，您必须从标准中的陈述中推断出行为。正如我所指出的，优化器可以做意想不到的事情。即使您使用malloc 分配空间，设置v 指向它，并且所有元素都在预期的偏移量，如果您设置any_t *p = &v->val，那么优化器被允许表现得好像p[i] 不是v->array[j].

【解决方案2】：

不，标准没有任何保证。但是，您的特定编译器实现肯定会做出超出标准的保证。查看您的文档以了解所有详细信息。

【讨论】：

对齐要求不相关。 val 和 array 成员将具有相同的对齐要求，因此由对齐要求引起的 val 填充将与由对齐要求引起的 array 元素填充相同。该标准允许在val 和array 之间使用未命名的填充，但实现不会为对齐要求插入填充。（假设它可能会插入填充以获得对齐优势，例如，如果它有助于将 array 与缓存行对齐，并且编译器有理由相信这将是有益的。）
还不错；删除第二句。

【解决方案3】：

您对结构的定义大约是 2 个字段，因此您的编译器可能不会将其用作 11 个元素的数组，因此您必须在文件被清除时填写它们。

【讨论】：