有没有办法让 GCC/Clang 意识到 C 中的继承？答案

【问题标题】：Is there a way to make GCC/Clang aware of inheritance in C?有没有办法让 GCC/Clang 意识到 C 中的继承？
【发布时间】：2014-01-17 10:29:02
【问题描述】：

我正在编写一个使用一些简单的面向对象继承的 C 库，就像这样：

struct Base {
    int x;
};

struct Derived {
    struct Base base;
    int y;
};

现在我想将 Derived* 传递给一个采用 Base* 的函数，就像这样：

int getx(struct Base *arg) {
    return arg->x;
};

int main() {
    struct Derived d;
    return getx(&d);
};

这可行，当然是类型安全的，但编译器不知道这一点。有没有办法告诉编译器这是类型安全的？我在这里只关注 GCC 和 clang，因此欢迎使用特定于编译器的答案。我对看到一些使用__attribute__((inherits(Base)) 或类似的东西执行此操作的代码有模糊的记忆，但我的记忆可能是在撒谎。

【问题讨论】：

这可能是一个愚蠢的问题，但如果你真的想要 C++，为什么不使用 C++？而不是试图破解 C 做类似的事情，也就是说。这不像是同一个编译器不能通过开关翻转来处理两种语言。
@Damon 也许他没有可用的 C++ 编译器。如果他正在使用嵌入式设备，那么更改编译器可能绝非易事。
但是 GCC 和 Clang 都是 C/C++ 编译器。他们会做任何事情，这取决于您在命令行上提供的语言标准（或者只是源文件的名称，如果您不告诉编译器其他任何内容）。
@Damon 可能还有其他原因。公司规则或与其他工具的兼容性。
@Damon：我正在添加一个更大的、预先存在的 C 代码库。我宁愿把它全部保留 C.

标签： c inheritance gcc clang

【解决方案1】：

这在 C 语言中是安全的，但您应该将参数强制转换为 Base *。禁止别名（或者更准确地说，将其排除在标准 C 中的支持）的规则在 C 2011 6.5 中，其中第 7 段指出：

对象的存储值只能由具有以下类型之一的左值表达式访问：

——与对象的有效类型兼容的类型，

…

此规则阻止我们获取指向float 的指针，将其转换为指向int 的指针，并取消引用指向int 的指针以将float 作为int 访问。（更准确地说，它不会阻止我们尝试，但它会使行为未定义。）

您的代码似乎违反了这一点，因为它使用Base 左值访问Derived 对象。但是，C 2011 6.7.2.1 第 15 段状态支持将指向 Derived 的指针转换为指向 Base 的指针：

…一个指向结构对象的指针，经过适当转换，指向它的初始成员…

所以，当我们将指向Derived 的指针转换为指向Base 的指针时，我们实际上拥有的不是指向Derived 对象的指针，它使用了不同的类型（这是被禁止的），而是一个使用 Base 的实际类型指向 Derived 对象的第一个成员的指针，这非常好。

关于编辑：最初我声明函数参数将转换为参数类型。但是，C 6.5.2.2 2 要求每个参数都有一个类型，该类型可以分配给具有其相应参数类型的对象（删除任何限定符，如 const），而 6.5.16.1 要求在分配一个指针时对于另一个，它们具有兼容的类型（或满足此处不适用的其他条件）。因此，将指向Derived 的指针传递给接受指向Base 的指针的函数违反了标准C 约束。但是，如果您自己执行转换，则它是合法的。如果需要，可以将转换构建到调用该函数的预处理器宏中，这样代码仍然看起来像一个简单的函数调用。

【讨论】：

但是“对象的有效类型 ...是对象的声明类型，如果有的话”，声明的类型是Derived。 GCC 也无法编译它，因为 Base* 和 Derived* 不是兼容的指针类型。 Clang 也一样。
我将“适当转换”解释为“转换为char*、unsigned char* 或void*”——但也许我错了。
@larsmans: 不，声明的类型不是Derived，因为转换后的指针不是指向Derived结构的指针，而是指向第一个成员的指针，而第一个成员是Base。转换后的指针的类型为“指向Base 的指针”，它指向一个Base 对象。
@larsmans：你为什么声称 GCC 不编译这个？我获取了问题的来源，删除了函数定义后面不正确的分号，并使用cc -Wmost -pedantic -O3 -g -std=c99 将其与 Apple GNU C 4.2.1 一起编译，然后编译。有关于 getx 的参数类型的警告，但没有错误。
@larsmans：“适当转换”本质上意味着转换为指向成员类型的指针。当 C 标准说某事“指向一个 x”时，这意味着它是一个指向 x 类型的指针，并指向一个 x目的。当它想说指向字符类型的指针指向对象的第一个字节时，它说指针指向的是字节，而不是对象。

【解决方案2】：

给出基成员的地址（真正的类型安全选项）：

getx(&d.base);

或者使用空指针：

int getx(void * arg) {
    struct Base * temp = arg;
    return temp->x;
};

int main() {
    struct Derived d;
    return getx(&d);
};

之所以有效，是因为 C 要求在第一个结构成员之前不能有填充。这不会增加类型安全性，但消除了强制转换的需要。

【讨论】：

还是保持原样使用getx((void *)&d)吧？
@AlterMann 嗯，是的。或使用getx((struct Base *)&d)。
但是(void *)&d 是允许的吗？
@AlterMann 唯一的区别我看到转换为void * 并返回是隐式或显式的。这应该没有任何区别。

【解决方案3】：

正如上面 user694733 所指出的，您可能最好通过使用基字段的地址来符合标准和类型安全（重复以供将来参考）

struct Base{
   int x;
}
struct Derived{
   int y;
   struct Base b; /* look mam, not the first field! */
}

struct Derived d = {0}, *pd = &d;
void getx (struct Base* b);

现在尽管 base 不是第一个字段，你仍然可以做

getx (&d.b);

或者如果你正在处理一个指针

getx(&pd->b).

这是一个很常见的成语。但是，如果指针为 NULL，则必须小心，因为 &pd->b 只是

(struct Base*)((char*)pd + offsetof(struct Derived, b))

所以 &((Derived*)NULL)->b 变成

((struct Base*)offsetof(struct Derived, b)) != NULL.

IMO 错过了 C 采用匿名结构但没有采用 plan9 匿名结构模型的机会，即

struct Derived{
    int y;
    struct Base; /* look mam, no fieldname */
} d;

它允许你只写 getx(&d) 并且编译器会将 Derived 指针调整为基指针，即它的含义与上面示例中的 getx(&d.b) 完全相同。换句话说，它有效地为您提供了继承，但具有非常具体的内存布局模型。特别是，如果您坚持不在顶部嵌入（== 继承）基本结构，则必须自己处理 NULL。正如您对继承所期望的那样，它以递归方式工作，因此对于

struct TwiceDerived{
    struct Derived;
    int z;
} td;

你仍然可以写 getx(&td)。此外，您可能不需要 getx，因为您可以编写 d.x（或 td.x 或 pd->x）。

最后使用 typeof gcc 扩展，您可以编写一个小宏来进行向下转换（即转换为更派生的结构）

#define TO(T,p) \
({ \
    typeof(p) nil = (T*)0; \
    (T*)((char*)p - ((char*)nil - (char*)0)); \
}) \

所以你可以做类似的事情

struct Base b = {0}, *pb = &b;
struct Derived* pd = TO(struct Derived, pb);

如果您尝试使用函数指针执行虚函数，这很有用。

在 gcc 上，您可以通过 -fplan9-extensions 使用/试验 plan 9 扩展。不幸的是，它似乎没有在 clang 上实现。

【讨论】：