将指向联合的指针转换为指向联合数组成员的元素类型的指针

Question

我有一个

union

:

union Obj64 {
    uint64_t u64;
    uint32_t u32[2];
    uint16_t u16[4];
    uint8_t u8[8];
};
static_assert(sizeof(union Obj64) == sizeof(uint64_t), "Unexpected trailing padding in union!");

现在我有一个指向

union

的指针：

union Obj64 *union_ptr = SOME_VALUE;

我想要一个指向相同数据的

uint16_t *

指针。由于

指针衰减

，我可以访问

u16

成员并将其用作 uint16_t *：

uint16_t *u16_ptr = union_ptr->u16;

但是直接将

union

转换为

uint16_t *

有效吗？

uint16_t *u16_ptr = (uint16_t *)union_ptr;

我知道：

指向联合对象的指针，经过适当转换后，指向其每个成员（或者如果成员是位字段，则指向它所在的单元），反之亦然。

但是

union

不包含任何孤立的

uint16_t

成员，而只包含

uint16_t

数组。 那么上述规则是否适用？

1. 以上换算是否有效？

2. 使用指针时，在（未）定义的行为方面是否有任何差异如果上述转换首先是有效的？

   例如，我可能有多个

   union Obj64

   对象的缓冲区。我可以使用

   ((uint16_t *)union_ptr)[4]

   访问缓冲区中

   下一个

   uint16_t 中的

   union

   ，即使使用

   union_ptr->u16

   这样做是无效的？

Answer 1

将指向

union

的指针转换为指向其任何成员的指针并返回是有效的。

这在 C 标准第 6.7.2.1p16 节中有详细说明：

联合的大小足以包含其最大的 成员。至多一个成员的值可以存储在一个 随时联合对象。 指向联合对象的指针，适当地 转换后，指向其每个成员（或者如果一个成员是位- 字段，然后转到它所在的单位），反之亦然。

但这并不会改变链接问题中提到的行为。您本质上要问的是，给定

uint16_t x[4][4]

，访问

x[0][4]

是否有效。正如链接的问题所述，答案是否定的。

所以

union_ptr->u16[4]

和

((uint16_t *)union_ptr)[4]

都是未定义的行为。

Answer 2

C 标准没有正式定义支持的转换，因此尝试对这些转换进行语言保护在某种程度上是徒劳的。 C 2018 6.7.2.1 16 说“……指向联合对象的指针，经过适当转换，指向其每个成员（或者如果成员是位字段，则指向它所在的单元），反之亦然， ”，但标准中没有定义“适当转换”。

(uint16_t *)union_ptr

生成一个指向

uint16_t

的指针。

Obj64

的所有成员都不是

uint16_t

，因此 this 不指向其任何成员，因此即使定义了“适当转换”，6.7.2.1 16 也不适用。

u16

成员是一个数组，因此

(uint16_t (*)[4]) union_ptr

几乎肯定是指向该成员的“适当转换”的指针。

即使您认为

(uint16_t *)union_ptr

首先是对数组的转换，然后是对指向其第一个成员的指针的转换，C 标准实际上并未定义后一种转换。给定

int x[4];

，

(int *) &x

是部分定义的转换（它生成一个指针，可以转换回

int (*)

以生成指向数组的指针），但它不一定定义为指向

x[0]

。 （在许多普通的 C 实现中确实如此，但这是一个语言律师问题。）

您可以通过使用

u16

指定数组并允许发生数组到指针的转换来生成指向

* (uint16_t (*)[4]) union_ptr

成员的第一个元素的指针，或者您可以使用

&((uint16_t (*)[4]) union_ptr)[0]

显式地获取它。或者简单地使用

union_ptr->u16

进行指针到数组的转换。

无论如何，一旦通过任何方法获得了指向

union_ptr->u16[0]

的指针，您就可以使用它来访问

union_ptr->u16[i]

（0 ≤

i

< 4. Using it to access the memory beyond that is not safe without some additional prerequisite.

）

...如果

((uint16_t *)union_ptr)[x]

和

x > 3

是指向

union_ptr

数组中某个元素的指针并且后面有一个元素，那么

Obj64

会安全吗？

不。为什么会这样？

((uint16_t *)union_ptr)[x]

最多包括对指向数组中元素的指针的算术运算，并且该数组具有从 0 到 3 索引的元素，并且如果该指针引用的索引超过 4，则不会定义对该指针的算术运算。为 4 定义，但取消引用指针则不然。

Obj64

包含 4 个

uint16_t

的数组这一事实并不意味着 2 个

Obj64

的数组包含 8 个

uint16_t

的数组。