超出范围指针的比较是否定义明确？答案

【问题标题】：Are comparisons on out-of-range pointers well-defined?超出范围指针的比较是否定义明确？
【发布时间】：2012-12-21 21:01:36
【问题描述】：

给定以下代码：

char buffer[1024];
char * const begin = buffer;
char * const end = buffer + 1024;
char *p = begin + 2000;
if (p < begin || p > end)
    std::cout << "pointer is out of range\n";

执行的比较（p < begin 和p > end）是否定义明确？或者这段代码是否有未定义的行为，因为指针已经超过了数组的末尾？

如果比较定义明确，那么定义是什么？

（额外的功劳：begin + 2000 本身的评估是未定义的行为吗？）

【问题讨论】：

我认为答案只是指针越过末尾和NULL，但我不能引用章节。
在具有分段内存的系统上，地址begin + 2000 可能不存在。
本题有两个不同的概念：指针的比较和指针值的创建。在询问指针比较之前，我们必须确定begin + 2000 是否定义明确。我不认为它是。但是，一旦我们有了两个有效的指针，您就可以询问如何比较它们。正如 Mat 的回答所指出的，一般没有具体说明。但是，您可以使用std::less<>（等人）来获得指针值的总排序，即使未指定直接使用<。

标签： c++ language-lawyer

【解决方案1】：

我将假设 C++11 标准。根据第 5.7 节（加法操作数）第 5 段，*p = begin + 2000 的行为首先是未定义的，甚至在您进行比较之前：

如果指针操作数和结果都指向相同的数组对象，或数组对象的最后一个元素，评估不应产生溢出；否则，行为未定义。

【讨论】：

【解决方案2】：

begin+2000 的求值未定义，它超出了数组的末尾 - 您可以在末尾上升一个，但不能再进一步。

来自 C++11 §5.7/5 加法运算符：

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。如果指针操作数指向数组对象的元素，并且数组足够大，则结果指向与原始元素偏移的元素，使得结果和原始数组元素的下标之差等于积分表达式。 [...] 如果指针操作数和结果都指向同一个数组对象的元素，或者超过数组对象的最后一个元素，则评估不应产生溢出； 否则，行为是未定义。

对于要指定的指针比较，假设您有有效的指针以开始，它们本质上需要是指向同一数组（或结束后一个）的指针，或者指向同一访问控制的非静态数据成员的指针同一个对象（除非它是一个联合......）。

详细信息在 §5.9/2 中关系运算符：

可以比较指向相同类型的对象或函数的指针（指针转换后），结果定义如下：

如果相同类型的两个指针 p 和 q 指向同一个对象或函数，或者都指向过去相同数组的结尾，或者都为空，则 p=q 都产生 true 并且 pq 两者都产生错误。

如果两个相同类型的指针 p 和 q 指向不同的对象，它们不是相同的成员同一数组或不同函数的对象或元素，或者如果其中只有一个为空，则结果 pq、p=q 的数量未指定。

如果两个指针指向同一个对象的非静态数据成员，或者指向子对象或数组元素在此类成员中，递归地，指向后面声明的成员的指针比较大，前提是两个成员具有相同的访问控制（第 11 条），并且他们的类不是联合。

如果两个指针指向具有不同访问控制的同一对象的非静态数据成员（第 11 条）结果未指定。 — 如果两个指针指向同一个联合对象的非静态数据成员，它们比较相等（在如有必要，转换为 void*）。如果两个指针指向同一个数组的元素或一个以外的元素在数组的末尾，指向具有较高下标的对象的指针比较高。

未指定其他指针比较。

【讨论】：

至于为什么会这样，可以想象buffer 可以分配在一个只有 2048 字节大的内存中的地址 500。所以begin 将是 500，p 将是 2500。但是由于内存只有 2048 大（因此指针只有 11 位长），所以您实际得到的 p 是地址 452 -- buffer 的前面。（是的，这个例子是人为的，但是有各种实际分段内存方案，它们并没有那不同。）
请注意，您可以使用 std::less<> (et. al.) 来获得不相关指针的总排序（当然，它们必须仍然具有有效值，这完全不同） .
当然，无关指针的“排序”在很大程度上是没有意义的。
@Mat 它没有指向任何东西。没有什么“那里”；这是无效的。我把“那里”放在引号中，因为指针值首先不能合法地计算。那里甚至没有位置。查看其他答案。

【解决方案3】：

您的程序的行为未定义，但不是因为比较。

表达式 begin + 2000 的计算具有未定义的行为，因为结果将指向超过 1024 个元素数组末尾的多个元素。

引用 C++11（实际上是 N3485 草案），5.7p4 [expr.add]：

当具有整数类型的表达式被添加或减去时从一个指针，结果具有指针操作数的类型。 [...] 如果指针操作数和结果都指向相同的数组对象，或数组对象的最后一个元素，评估不应产生溢出；否则，行为未定义。

简而言之，仅计算越界指针具有未定义的行为；之后你对该指针执行什么操作并不重要。

【讨论】：