在C语言中将`void *`转换为`int`的问题

Question

我正在尝试重新掌握我的C语言技能。我想在不同的线程中对一个序列求和，每个线程将返回部分序列的总和指针。然而，当我尝试将 void* 类型的值 local_sum 转换为 int 时，出现了问题。

我曾试图使用 sum += *(int*)local_sum; 进行转换，但是出现了段错误，程序退出时显示 Process finished with exit code 11。

后来我发现，如果我使用 sum += (int)local_sum;，那么就没有问题了。但我无法说服自己：难道 local_sum 不应该是一个 void * 吗？为什么可以使用 (int)local_sum 来将其转换为 int？

非常感谢您能够解答这个问题。

对每个进程返回值进行求和的部分如下：

int sum = 0;
for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i ++) {
    void * local_sum;
    pthread_join(count_threads[i], (&local_sum));
    sum += (int)local_sum;
}

线程的作用在这里：

void * count_thr(void *arg) {
    int terminal = ARRAY_SIZE / NUM_THREADS;
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < terminal; i ++) {
        sum += *((int*)arg + i);
    }
    return (void*)sum;
}

- Frost-Lee

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将一个 int 传递给 pthreads 中的 void*，而不是指向它，一直以来都是一种肮脏的技巧。而且像所有肮脏的技巧一样，它们最终会失效。将整数转换为指针具有实现定义的行为（至少使用 uintptr_t）。解决方案不是使用肮脏的技巧，而是传递一个指向 malloc 分配的数据的指针。动态分配的开销执行时间与创建和关闭线程的成本相比微不足道。 - Lundin

请参考c89: Convert an int to void* and back和相关问题Is it safe to cast an int to void pointer and back to int again?，这些问题涉及将int类型转换为void指针并再次转换回int类型的安全性问题。 - Sander De Dycker

Answer 1

您正在通过将 void * 地址设置为 int sum 的值来 return 它。 在这种情况下，该地址无效。 但是，如果您记住这一点，并通过将 void * 转换为 int 来获取 sum 的值，它将有效。

有时会使用 void * 以此方式来 return 值（例如 int）或指向某些东西的地址（例如 struct）。

为了说明这一点：

int a = 5;
void *p = (void *)a;
int b = (int)p;

a、p 和 b 的值都为 5。p 没有指向有效的地址。试图对 p 进行解引用将导致未定义行为：

b = *(int *)p; // Undefined Behavior!

考虑以下程序：

#include <limits.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a, b;
    void *p;

    a = 5;
    p = (void *)a;
    b = (int)p;

    printf("%d %p %d\n", a, p, b);

    a = INT_MAX;
    p = (void *)a + 1;
    b = (int)p;

    printf("%d %p %d\n", a, p, b);

    return 0;
}

当编译时，我会收到以下警告： $ gcc main.c -o main.exe main.c: 在函数‘main’中: main.c:9:9: 警告：将不同大小的整数强制转换为指针[-Wint-to-pointer-cast] p = (void *)a; ^ main.c:10:9: 警告：将指针强制转换为不同大小的整数[-Wpointer-to-int-cast] b = (int)p;

...

警告是由于 @Gerhardh 指出的 sizeof(int) 和 sizeof(void *) 可能是不同的。如果 void * 的值超过 int 所能存储的最大值，则可能会发生数据丢失。

输出: $ ./main.exe 5 0x5 5 2147483647 0x80000000 -2147483648

- Fiddling Bits

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在我们的情况下，这种行为是期望的。真的吗？这不仅仅是有关转换的警告，而是涉及到不同的大小。那不是期望的部分。你可能有4字节整数和8字节指针。 - Gerhardh

此行为的定义取决于实现。 - Sander De Dycker

a、p 和 b 的值都为 5。a 和 b 的值不保证相同。 - David Brown

@DavidBrown 当然，这是未定义行为。在我的机器上，这种行为是这样的。 - Fiddling Bits

@FiddlingBits：更正：就像我之前所说的那样，它是“实现定义”。它可以在许多（如果不是大多数）平台上工作，就像你描述的那样，但不能保证。 - Sander De Dycker

Answer 2

由于local_sum是一个转换为void*的int，而不是转换为void*的int*，所以您无法执行*(int*)local_sum。它是一个数字重新解释为地址，但仅用于传输目的，因为pthread_exit只允许您返回void*而不是int，并且因为标准明确允许实现定义的转换（6.3.2.3p5，6.3.2.3p6）在整数和数字之间（如果值匹配，则进行转换；如果不匹配，则 UB）。例如，如果返回0x42，则地址0x42上极有可能没有任何内容，因此您应该忘记对其进行解引用，并尽快将其转换回整数，可以使用(int)local_sum;或者更好地使用(int)(intptr_t)local_sum;（虽然intptr_t不能保证存在），或者（最好的方式）使用(int)(intmax_t)local_sum;，以避免在LP64平台上可能出现的有关将其转换为不同大小的整数的编译器警告。

- PSkocik

Answer 3

一种安全且可移植的解决方案可能是使用 union：

union void_cast {
    void* ptr;
    int value;
};

例如，您可以使用以下方式安全地重新解释void*指针：

int VOID_TO_INT(void* ptr) {
    union void_cast u;
    u.ptr = ptr;
    return u.value;
}

void* INT_TO_VOID(int value) {
    union void_cast u;
    u.value = value;
    return u.ptr;
}

所以你的代码可以更改为：

sum += VOID_TO_INT(local_sum);

- Morpheus

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强制类型转换应该不受字节顺序的影响。在一个（非常理论化的）大端机器上，其中 int 类型的宽度是指针宽度的一半，使用 union 的方法无法提取该值，而强制类型转换则可以。 - Petr Skocik