空指针和指针算术运算

Question

考虑以下代码，对 nullptr 进行指针算术运算是否安全？

我认为在一个 nullptr 上加任何偏移量都会得到另一个 nullptr，目前 MSVC 生成了我预期的结果，但我对像这样使用 nullptr 是否安全有点不确定。

float * x = nullptr;

float * y = x + 31; // I assume y is a nullptr after this assigment

if (y != nullptr)
{
  /* do something */
}

- user2188453

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这在clang和gcc中不会发生，float* a = nullptr; assert(a==nullptr); a++; assert(a!=nullptr); 。在这些编译器中，将某些内容添加到nullptr并不会导致其变成nullptr。我不知道这是否属于未定义行为。 - alfC

一个简短的注释，因为没有答案包含这个：在实践中，指针是内存地址。如果你天真地给空指针加上偏移量31，你会得到一个指向内存地址“31”的指针。那不是空指针。编译器允许这样做。如果将空指针+偏移定义为空指针，编译器就必须在那里添加一些条件跳转。由于委员会关心效率，标准没有规定当你给空指针加上非零偏移量时会发生什么。 - Handy999

Answer 1

你没有定义"safe"对你来说意味着什么，但无论如何，你提出的代码具有未定义的行为。指针算术运算只允许在指向数组对象的指针值上进行，或者可能是指向数组结尾后面的位置。(对于这个规则，非数组对象被视为一个元素的数组。)

由于空指针从不是对象的地址或对象之后的地址，因此你的代码永远不会具有良好定义的行为。

- Kerrek SB

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即使我不解引用指针，int* a; a++;也是未定义行为吗？你能给出一个参考吗？ - 463035818_is_not_a_number

因为标准不必明确指定未定义行为，所以它没有相应的参考文献。[expr.add]/5 仅针对指向数组（或充当长度为1的数组的对象的指针）的指针定义了指针+整数的行为。如果指针不指向数组，则根据定义，行为是未定义的（除非在添加0的情况下，[expr.add]/8 为所有指针定义了行为）。 - Nicol Bolas

@tobi303，"UB"并不是指“崩溃”，而是指“我们没有定义这个该怎么做”。事实上，编译器可以积极地优化和检测UB，并导致您的程序表现出极其意外的行为。其中一种优化技术是“由于在格式良好的程序中不可能发生UB，因此任何导致UB的逻辑链都可以被安全地排除为可能性，包括跳过代码中明确的if检查”。简而言之，UB可能会导致时间旅行漏洞，其中远离UB的代码的行为与您编写的代码不匹配。 - Yakk - Adam Nevraumont

@NicolBolas 谢谢。我在询问参考时，想要的是类似[expr.add]/5这样的内容。 - 463035818_is_not_a_number

@Yakk 我（或多或少）知道 UB 的意思，只是一个小时前我才意识到 int* a;a++ 是 UB。 - 463035818_is_not_a_number

Answer 2

在nullptr上进行指针算术运算是否安全？C++定义了两种对nullptr的操作：

float *x = nullptr;
float *y = nullptr;

1. x +/- 0 = x

2. x - y = 0 (x 和 y 具有相同的类型)

你不能对未定义的内容进行假设，因此不应该这样做。

- sjsam

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实际上，还定义了第三个操作符：x==y。看起来微不足道，但它实际上意味着只有一个空指针值。 - MSalters

一个有趣的帖子：http://www.drdobbs.com/cpp/why-does-c-allow-arithmetic-on-null-poin/240001022 - Zark Bardoo

Answer 3

将0添加到nullptr具有明确定义的行为，并返回nullptr。

将任何其他内容添加到nullptr具有未定义的行为。

[expr.add]/4有

当将具有整数类型的表达式J添加到或从指针类型的表达式P中减去时，结果具有P的类型。

• 如果P评估为null指针值且J评估为0，则结果是null指针值。
• 否则，如果P指向具有n个元素（[dcl.array]）的数组对象x的数组元素i，则表达式P + J和J + P（其中J具有值j）指向x的（可能是假想的）数组元素i+j，如果0≤i+j≤n，则表达式P - J指向x的（可能是假想的）数组元素i−j，如果0≤i−j≤n。
• 否则，行为未定义。

第一个要点涵盖了添加零，第二个要点涉及到数组，最后一个要点涵盖了其他所有内容。

由于我们从未有过数组，我们可以忽略第二个要点，只需处理第一个和第三个。这给我们带来的结果是，添加零是定义行为，添加任何其他值都是未定义行为。

- NathanOliver

Answer 4

“在 nullptr 上进行指针算术运算是否安全？”

不，对于 nullptr 进行算术运算是没有定义的，因为它本身不是一个指针类型（但存在将所有指针类型转换为 NULL 值的转换）。std::nullptr_t 是空指针字面值 nullptr 的类型。它是一个独立的类型，既不是指针类型也不是成员指针类型。请参见此处。

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总的来说，任意指针算术运算（即使在 NULL 值上）几乎肯定会引起问题 - 你没有分配那块内存 - 它不属于你尝试读取或写入的范围。

用于比较（例如超过结尾），可以正常使用，但否则您所编写的代码将导致未定义行为。

如需进一步了解，请参阅维基百科关于未定义行为的文章。

- Niall

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我不确定你第二段的逻辑：指针算术运算不会导致读取或写入内存。内存与 OP 的问题无关。 - Kerrek SB

那是关于任意部分的更多内容 - 是与OP无关的次要问题。我会整理一下。 - Niall

Answer 5

不，将偏移量添加到nullptr上不会导致nullptr。这是未定义的行为。

- Sam Varshavchik

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你说得对，添加非零偏移量不会导致 nullptr。然而，将零加/减到/从空指针是被定义好的，并且会导致一个空指针（这是 C 和 C++ 之间的一个具体区别 - 在 C 中这是未定义的）。 - Peter