空指针的地址？

Question

我遇到了下面的宏

#define OFFSETOF(TYPE, ELEMENT) ((size_t)&(((TYPE *)0)->ELEMENT))

我有点无法理解这一点，因为在 C++ 中，当我尝试遵循空指针时，我预计会出现意想不到的行为……但它怎么会有地址呢？空地址是什么意思？

Answer 1

就宏而言： 它假定在​​地址 0 处有一个 TYPE 类型的对象，并返回成员的地址，该地址实际上是该成员在结构中的偏移量。

This answer 解释了为什么这是未定义的行为。我认为这是最重要的一句话：

如果E1 的类型为“指向X 类的指针”，则表达式E1->E2 将转换为等价形式(*(E1)).E2； *(E1) 将导致 具有严格解释的未定义行为，.E2 将其转换 为右值，使其成为弱者的未定义行为 解释。

这里就是这样。尽管其他人认为这是有效的。需要注意的是，这将在许多编译器上产生正确的结果。

Answer 2

#define OFFSETOF(TYPE, ELEMENT) ((size_t)&(((TYPE *)0)->ELEMENT))

与标准offsetof() 宏的相当常见的定义非常相似，在<stddef.h>（C 语言）或<cstddef>（C++ 语言）中定义。

0 是一个空指针常量。将其转换为TYPE * 会产生一个TYPE * 类型的空指针。请注意，该语言不保证（甚至暗示）空指针的值为 0，尽管它很常见。

所以(TYPE *)0 理论上是TYPE 类型对象的地址，该对象位于空指针指向的任何地址，((TYPE *)0)->ELEMENT)) 是该对象的ELEMENT 成员。

& 运算符获取此 ELEMENT 成员的地址，然后转换将该地址转换为类型 size_t。

现在 if 一个空指针恰好指向地址 0，那么 TYPE 对象类型的（不存在的）对象从地址 0 开始，并且该对象的 ELEMENT 成员的地址对象位于从地址 0 偏移一定数量字节的地址。假设实现定义的从 TYPE * 到 size_t 的转换以简单的方式表现（语言不保证的其他内容），结果整个表达式将是 ELEMENT 成员在 TYPE 类型的对象中的偏移量。

所有这一切都取决于几个未定义或未指定的行为。在大多数现代系统上，空指针被实现为指向地址 0 的指针，地址（指针值）被表示为好像它们是指定整体寻址空间中特定字节的索引的整数，并从指针转换为整数相同大小的只是重新解释位。在具有此类特征的系统上，OFFSETOF 宏可能会起作用，并且实现可能会选择对标准offsetof 宏使用类似的定义。 （作为实现一部分的代码可以利用实现定义或未定义的行为；它不需要是可移植的。）

在不具备这些特性的系统上，这个OFFSETOF 宏可能不起作用——并且实现必须使用其他方法来实现offsetof。这就是为什么offsetof 是标准库的一部分；它不能以可移植的方式实现，但对于任何系统，它总是可以以某种方式实现。有些实现使用了编译器魔法，比如 gcc 的 __builtin_offsetof。

实际上，像这样定义自己的 OFFSETOF 宏没有多大意义，因为任何符合 C 或 C++ 的实现都会在其标准库中提供一个有效的 offsetof 宏。

Answer 3

这不是解引用指针，而是返回结构中元素的偏移量。

例如对于

typedef struct { char a; char b;} someStruct;

调用 OFFSETOF(someStruct, b) 将返回 1（假设它已打包等）。

这和这样做是一样的：

someStruct str;
offset = (size_t)&(str.b) - (size_t)&str;

除了OFFSETOF，您不需要创建虚拟变量。

当您出于某种原因需要找到类/结构/联合成员的偏移量时，这是需要的。

** 编辑 **

对于所有认为“标准不允许这样做”的仓促投票者，请再次阅读标准。在这种情况下，行为定义得非常好。

** 另一个编辑 **

我相信没有人注意到第一个参数是 type。我敢肯定，如果您的思考时间超过了投反对票所需的半秒时间，您就会明白自己的错误。如果不是 - 好吧，这不会是一群无知的反对者压制正确答案的第一个。

Answer 4

取消引用空指针（如该宏所做的那样）是未定义的行为。 编写和使用这样的宏是不合法的，除非 实施为您提供了一些特殊的额外保证。

C标准库定义了一个宏offsetof；许多实现 确实使用类似的东西。实现可以做到这一点，因为 它知道在这种情况下编译器实际生成了什么，以及是否 是否会引起问题。标准的实施 图书馆可以使用很多你不能使用的东西。

Answer 5

OFFSETOF的目的是返回一个成员的地址和它所属的聚合地址之间的距离。

如果编译器不根据其位置更改对象布局，则“距离”是恒定的，因此您开始的地址是无关紧要的。 0，在这种情况下，它只是一个地址。

根据 C++ 标准，访问无效地址是“未定义行为”，但是：

• 如果这是编译器支持库的一部分（这是 VS2003 随附的 CRT 中“OFFSETOF”的实际代码！），那可能不是那么“未定义”（对于已知的编译器和平台，行为是支持库开发者知道的：当然，这必须被认为是“平台特定的代码”，但不同的平台可能会有不同的库版本）

1234563 Thnk 作为一般演示，例如“如果在位置 0 有一个对象，则其假定的 ELEMENT 成员将从位置 6 开始。因此 6 是偏移量”。没有真正的这样的对象这一事实是无关紧要的。 1234563您需要访问一些运行时信息 - 通常是对象 v-table 的一部分 - 其位置无法检测到，因为对象地址不是“真实”地址。 这就是为什么标准谨慎地说“取消引用无效指针是未定义的行为”。

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致反对者：

我为特定于平台的答案提供特定于平台的信息。 在投反对票之前，请提供一个证明我所说的是错误的。

Answer 6

A.动作有效，不会抛出异常，因为你没有尝试访问指针指向的内存。
B. 空指针 - 它基本上是一个普通的指针，表示对象位于地址 0（根据定义，地址 0 是真实对象的无效地址），但指针自身有效。

所以这个宏的意思是：如果一个 TYPE 类型的对象从地址 0 开始，他的 ELEMENT 将在内存中的什么位置？换句话说，从 ELEMENT 到 TYPE 对象开头的偏移量是多少。

Answer 7

这是一个非常糟糕的宏，堆积了未定义的行为......

它试图做什么：获取struct 成员的偏移量。

它是如何做到的：

• 使用空指针（代码中的值为 0）
• 取元素（让编译器计算它的地址，从 0 开始）
• 获取元素的地址（使用&）
• 将地址转换为size_t

有两个问题：

• 取消引用空指针是未定义的行为，因此从技术上讲，任何事情都可能发生
• 将指针转换为 size_t 不是应该做的事情（问题是不能保证指针适合）

怎么做：

• 使用实物
• 计算地址的差异

在代码中：

#define OFFSETOF(Object, Member) \
  ((diffptr_t)((char*)(&Object.Member) - (char*)(&Object))

但它需要一个对象，因此可能不适合您的目的。

应该怎么做：

#include <cstddef>
#define OFFSETOF(Struct, Member) offsetof(Struct, Member)

但这没什么意义……对吧？

对于好奇的人，定义可能类似于：__builtin_offsetof(st, m)（来自Wikipedia）。一些编译器使用 null 取消引用来实现它，但它们是编译器，因此知道它们安全地处理这种情况；这不是可移植的......并且不必因为切换编译器，您还切换C库实现。

Answer 8

littleadv 的构造意图恰到好处。稍微解释一下：你转换了一个指向地址 0x0 的结构指针并取消引用它的元素。您指向的地址现在位于 0x0 + 元素具有的任何偏移量。现在将此值转换为 size_t 并获取元素的偏移量。

不过，我不确定这个构造的可移植性如何。