使用offsetof访问结构体成员。

Question

使用offsetof访问结构体成员。

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我有以下的代码：

#include <stddef.h>

int main() {
  struct X {
    int a;
    int b;
  } x = {0, 0};

  void *ptr = (char*)&x + offsetof(struct X, b);

  *(int*)ptr = 42;

  return 0;
}

最后一行代码执行了对x.b的间接访问。

这段代码是否符合任何C标准？

我知道:

*(char*)ptr = 42; 虽然只定义了实现，但是是被定义的。
ptr == (void*)&x.b

我猜想通过int*访问ptr指向的数据并不违反严格别名规则，但我不能完全确定标准保证了这一点。

- tstanisl

x.b是一个具有有效（和声明的）类型为int的对象，其存储的值通过类型为int的lvalue表达式访问，因此这是完全合法的。 - Ian Abbott

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offsetof宏的目的不就在于此吗？ - Eugene Sh.

@EugeneSh。问题是它是否适用于通过int类型访问，而不仅仅是char。 - tstanisl

2个回答

3

我相信这是完全合法的；实际上，我刚刚在一本我正在阅读的书中遇到了类似的技巧（不过这并不重要）。

以下是我认为这是合法的原因：

void *ptr = (char*)&x + offsetof(struct X, b);

首先，将x解引用为指向结构体的指针，但如果我们使用它的原始类型进行指针算术运算，每次将&x增加1时，实际上增加的值等于sizeof(struct X)。由于offsetof返回的值是从结构体开头开始的距离（以字节为单位），因此我们需要将&x转换为兼容的字节大小类型的指针，在这种情况下是char *。由于char总是定义为1个字节，因此当我们将char *增加1时，我们将前进1个字节。这就是为什么在第6.5节表达式中特别提到的原因:

一个对象的存储值只能通过具有以下类型之一的lvalue表达式访问：⁸⁸⁾

与对象的有效类型兼容的类型，

与对象的有效类型兼容的类型的限定版本，

与对象的有效类型相应的已签名或未签名类型，

与对象的有效类型的限定版本相应的已签名或未签名类型，

包括上述类型之一的聚合或联合类型（包括递归地子聚合或包含的联合的成员），或

字符类型。

现在的结果是x.b开头的指向char *类型的指针，它是完全对齐的，因此这里没有引发未定义的行为。为什么？因为offsetof返回从开头开始的距离，并且我们通过char *转换对指针进行了按字节计算，结果应该准确地指向b的开头。

既然我们已经到达了所需对象的开头，我们就不再需要将结果保留在char *类型中。现在将结果强制转换为通用指针void * ptr，以便稍后将其转换为int *，然后解引用它以访问x.b。

由于b是一个int，而我们最终有一个*(int*)，它评估为int类型，因此我们遵循上面的"与对象有效类型兼容的类型"条款标准（或其他条款之一；如果我错了，请纠正我）。

- stanle

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可以查看英文原文，
原文链接

- Nate Eldredge · Accepted Answer

是的，这是完全被定义了的，并且正是offsetof预期被使用的方式。你对字符类型的指针进行指针运算，因此它以字节为单位完成，然后转换回成员的实际类型。

例如，可以参见6.3.2.3 p7（所有引用均指C17草案N2176）：

当将一个对象的指针转换为指向字符类型的指针时，结果指向对象的最低地址字节。结果的连续增量，直到对象的大小为止，产生指向对象剩余字节的指针。

因此，(char *)&x 是指向 x 转换为指向char类型的指针，因此它指向x的最低地址字节。当我们添加 offsetof (struct X, b) 时（假设它是4），那么我们就有了指向 x 的第四个字节的指针。现在，offsetof(struct X, b)被定义为返回结构的开头到其结构成员的偏移量（7.19p3），所以4实际上是从 x 开始到 x.b 的偏移量。因此，x的第4个字节是x.b的最低字节，这就是 ptr 指向的内容；换句话说，ptr 是一个指向 x.b 的指针，但是它的类型是 char *。当我们将其转换回 int * 时，我们获得了一个指向 x.b 的指针，它的类型是 int *，与表达式 &x.b 得到的完全相同。因此，解引用这个指针访问了 x.b。

在评论中出现了一个问题：当将 ptr 转换回 int * 时，我们如何知道我们确实拥有指向 int 的 x.b 的指针？标准中没有太明确的说明，但我认为这是显然的意图。然而，我认为我们也可以间接地推导出来。希望我们同意上面提到的 ptr 是指向 x.b 最低地址字节的指针。现在，根据6.3.2.3 p7 引用的相同段落，将指向 x.b 的指针转换为 char *，例如 (char *)&x.b，也会产生指向 x.b 的最低地址字节的指针。因为它们是指向相同字节的相同类型的指针，所以它们是相同的指针：ptr == (char *)&x.b。然后我们看看6.3.2.3 p7 的前几句话：

如果将对象类型的指针转换为指向不同对象类型的指针，则结果指针未对齐以引用的类型，则行为未定义。否则，再次转换的结果应与原始指针相等。

这里没有对齐问题，因为 char 具有最弱的对齐要求（6.2.8p6）。因此，将 (char *)&x.b 转换回 int * 必须恢复指向

x.bint arr[100];
*(int *)((char *)arr + (17 * sizeof(int))) = 42;
那么这等价于 arr[17] = 42;。
这就是像 qsort 和 bsearch 这样的通用程序是如何实现的。如果我们尝试对 int 数组进行 qsort，那么在 qsort 内部，所有指针算术都以字节为单位，在字符类型的指针上进行，通过手动按比例缩放作为参数传递的对象大小的偏移量来完成（这里将是 sizeof(int)）。当 qsort 需要比较两个对象时，它将它们强制转换为 const void * 并将它们作为参数传递给比较函数，该函数将它们转换回 const int * 来进行比较。
这一切都很好运行，显然也是语言中预期的特性。因此我认为我们不必怀疑当前问题中使用 offsetof 同样是一种预期的特性。