将`void *`函数参数从类型转换为类型不一致的方法

Question

注意：这个问题试图改善我试图问here 的问题，但没有达到。
另外，我见过this 和this。他们讨论类似的概念，但不回答这些问题。

我的环境是 Windows 10，为了测试我使用了两个编译器，CLANG 和 GCC。

我通过void * 函数参数传递变量，并且需要转换它们。我想就我在不同类型的方法之间看到的不一致获得一些反馈。

以下是使用void * 参数和用于指示传入类型的枚举值参数适应多种输入类型的测试函数的精简描述：

void func(void *a, int type)
{
    switch(type) {
        case CHAR://char
            char cVar1    = (char)a;      //compiles with no warnings/errors, seems to work
            char cVar2    = *(char *)a;   //compiles with no warnings/errors, seems to work
            break;
        case INT://int
            int iVar1     = (int)a;       //compiles with no warnings/errors, seems to work
            int iVar2     = *(int *)a;    //compiles with no warnings/errors, seems to work
            break;
        case FLT://float
            float fVar1   = (float)a;      //compile error:  (a1)(b1)
            float fVar2   = *(float *)a;   //requires this method
         case DBL://double
            double dVar1  = (double)a;     //compile error: (a1)(b1)(b2)
            double dVar2  = *(double *)a;//this appears to be correct approach
            break;
    };
}  

调用方法：

int main(void)
{

    char   c = 'P';
    int    d = 1024;
    float  e = 14.5;
    double f = 0.0000012341;
    double g = 0.0001234567;

    void *pG = &g;

    func(&c, CHAR);//CHAR defined in enumeration, typical
    func(&d, INT);
    func(&e, FLT);
    func(&f, DBL);
    func(pG, DBL);

    return 0;
}

与上述 cmets 中的标志相关的确切错误文本如下：

CLANG - 3.3 版

• (a1) - ...错误：指针不能转换为“float”类型

gcc - (tdm-1) 5.1.0

• (b1) - ...错误：指针值在预期为浮点值的地方使用
• (b2) - ...错误：指针不能转换为“double”类型

供下文讨论参考

• 方法 1 == type var = (type)val;
• 方法2 == type var = *(type *)val;

我的结果表明转换float & double 需要方法2。
但是对于 char 和 int 来说，方法 2 似乎是可选的，即方法 1 编译得很好，并且似乎可以始终如一地工作。

问题：

• 似乎从void * 函数中恢复值 参数应该总是需要方法2，那么为什么方法1（似乎 to) 使用char 和int 类型？这是未定义的行为吗？

• 如果方法 1 适用于 char 和 int，为什么它至少不适用于 float 类型？这不是因为它们的大小不同，即：sizeof(float) == sizeof(int) == sizeof(int *) == sizeof(float *)。是因为严格的别名违规吗？

Answer 1

C standard 明确允许指针和整数类型之间的转换。这在关于指针转换的第 6.3.2.3 节中有详细说明：

5 整数可以转换为任何指针类型。除非前面指定，结果是实现定义的，可能不是 正确对齐，可能不指向被引用的实体 类型，并且可能是一个陷阱表示。

6 任何指针类型都可以转换为整数类型。除非前面指定，结果是实现定义的。如果 结果不能用整数类型表示，行为是 不明确的。结果不必在任何值的范围内 整数类型。

假设您在将整数类型传递给函数时将其转换为void *，然后将其转换回正确的整数类型，这可以做到提供实现允许。假设所讨论的整数类型至少与void * 一样大，GCC 将允许这样做。

这就是为什么转换适用于char 和int 情况的原因，但是您需要传入值（转换为void *）而不是地址。

例如，如果你这样调用函数：

func4((void *)123, INT);

那么函数可以这样做：

int val = (int)a;

而val 将包含值 123。但如果你这样称呼它：

int x = 123;
func4(&x, INT);

那么函数中的val将包含main中x的地址转换为整数值。

根据第 6.5.4p4 节关于强制转换运算符的规定，明确禁止在指针类型和浮点类型之间进行强制转换：

指针类型不应转换为任何浮点类型。浮动类型不得转换为任何指针类型。

当然，通过void * 传递值的最安全方法是将值存储在适当类型的变量中，传递其地址，然后将函数中的void * 转换回适当的指针类型。这保证有效。

Answer 2

在您的调用站点，您正在传递每个变量的地址。

func4(&c, CHAR);
func4(&d, INT);
func4(&e, FLT);
func4(&f, DBL);
func4(pG, DBL);

（这是正确的做法。）因此，在 func4 内部，您必须使用您所描述的“方法 2”：

T var1    = (T)a;    // WRONG, for any scalar type T
T var2    = *(T *)a; // CORRECT, for any scalar type T

您只会遇到浮点类型 T 的编译时错误，因为 C 标准明确允许从指针转换为整数类型。但是这些转换产生的值与作为参数提供的变量的 address 有某种[实现定义的] 关系，而不是与其 value 有某种关系。例如，

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    char c = 'P';
    printf("%d %d\n", c, (char)&c);
    return 0;
}

是一个打印两个数字的有效程序。除非您在 IBM 大型机上运行，​​否则第一个数字将是 80。第二个数字是不可预测的。也可能是 80 岁，但如果是的话，那是个意外，不是靠得住的。每次运行程序时，它甚至可能不是同一个数字。

我不知道您所说的“[方法 1] 似乎有效”是什么意思，但如果您实际上得到了与您传入的值相同的值，那纯属偶然。方法2是你应该做的。

Answer 3

从 void * 函数参数中恢复值似乎总是需要方法 2，那么为什么方法 1（似乎）适用于 char 和 int 类型？这是未定义的行为吗？

因为 C 专门允许整数和指针之间的转换。这是允许的，因为可能需要将绝对地址表示为整数，尤其是在与硬件相关的编程中。结果可能很好，或者它可能会调用未定义的行为，请参阅下面的详细信息。

当您需要在指针和整数之间进行转换时，您应该始终使用uintptr_t 来代替，以便进行明确定义和可移植的转换。这种类型最初不是 C 的一部分，这就是为什么仍然允许转换为其他整数类型的原因。

如果方法 1 适用于 char 和 int，为什么它至少不适用于 float 类型？这不是因为它们的大小不同，即：sizeof(float) == sizeof(int) == sizeof(int *) == sizeof(float *)。是因为严格的别名违规吗？

因为浮点类型没有像整数类型那样的特殊情况允许转换。他们宁愿有一个明确的规则禁止从指针到浮点的强制转换。因为做这样的转换没有任何意义。

仅当您对存储的值进行“左值访问”时，才适用严格的别名。例如，您只能在此处执行此操作：*(double *)a。您通过与对象的有效类型（也是double）兼容的类型（double）访问数据，所以这很好。

(double *)a 但是，从不访问实际数据，而只是尝试将指针类型转换为其他类型。所以严格的别名不适用。

通常，C 允许大量的野指针转换，但只有当您开始通过不正确的类型实际取消引用数据时，您才会遇到麻烦。然后你可能会遇到类型不兼容、未对齐和严格别名的问题。

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详情：

• char c = 'P'; ... char cVar1 = (char)a;.
  从指针类型到整数类型的转换。结果是未定义的或实现定义的¹⁾。没有对指向的数据进行左值访问，严格的别名不适用²⁾。
• char c = 'P'; ... char cVar2 = *(char *)a;.
  通过字符指针对字符进行左值访问。完美定义的³⁾。

• int d = 1024; ... int iVar1 = (int)a;.
  从指针类型到整数类型的转换。结果是未定义的或实现定义的¹⁾。没有对指向的数据进行左值访问，严格的别名不适用²⁾。

• int d = 1024; ... int iVar2 = *(int *)a;
int 到 int 指针的左值访问。完美定义³⁾.

• float e = 14.5; ... float fVar1 = (float)a;.
  从指针类型转换为浮点类型。不兼容的类型转换，违反强制转换运算符约束⁴⁾.

• float e = 14.5; ... float fVar2 = *(float *)a;.
  float 通过float 指针的左值访问。完美定义³⁾.

• double...同上面的float。

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¹⁾C17 6.3.2.3/6：

任何指针类型都可以转换为整数类型。除先前规定外， 结果是实现定义的。如果结果不能用整数类型表示， 行为未定义。结果不必在任何整数的值范围内 输入。

²⁾C17 6.5 §6 和 §7。见What is the strict aliasing rule?

³⁾C17 6.3.2.1 左值、数组和函数指示符，以及
C17 6.3.2.3/1：

指向 void 的指针可以转换为指向任何对象类型的指针或从指向任何对象类型的指针转​​换。指向的指针 任何对象类型都可以转换为指向 void 并再次返回的指针；结果应 比较等于原始指针。

另外，type 完全可以通过指向type 的（限定）指针进行左值访问，C17 6.5/7：“与对象的有效类型兼容的类型”。

⁴⁾ 不是 C17 6.3.2.3 中列出的有效指针转换之一。 C17 6.5.4/4的约束违规：

指针类型不应转换为任何浮点类型。浮动类型不应 转换为任何指针类型。