使用联合体的C++未定义行为

Question

我刚刚在阅读有关匿名结构的文章，发现它并不是标准的用法，一些常见的用例也存在未定义行为的问题...

下面是基本用例：

struct Point {
    union {
       struct {
           float x, y;
       };
       float v[2];
    };
};

因此，写入x，然后从v [0]读取，在这种情况下是未定义的，因为您期望它们相同，但可能不是这样。

不确定是否在标准中定义了相同类型的联合体...

union{ float a; float b; };

在写入a并从b读取时是否未定义？

也就是说，标准是否有关于数组和连续变量的二进制表示的规定。

- johndoe

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你可以选择代码片段，然后按Ctrl+K。只有在短的单行代码中才使用反引号。 - jrok

联合体中的未命名结构体不是 ISO-C++ 的一部分（尽管许多编译器支持它们作为扩展）。 - ComicSansMS

@ComicSansMS 很好的观点，但是...给这个struct一个名字，他的问题仍然是一样有价值的。 - James Kanze

@JamesKanze 当然，我并不是想批评这个问题，我只是想指出它。不过现在我想了想，当被强制使用命名结构体时，OP使用的特定结构变得不那么有用了。 - ComicSansMS

Answer 1

这个标准规定对于联合体(unions)内的任意一个元素进行读取，如果这个元素不是最后一个写入的，其结果将是未定义的行为。理论上来说，编译器可以生成某种代码以跟踪读取和写入，并在违反规则时触发信号(即使两个元素的类型相同)。编译器还可以利用这个事实进行某种优化: 如果您写入了 a (或 x)，它会假定您不会读取b(或 v[0]) 在优化时。

实际上，据我所知，所有的编译器都支持此功能，但需要明确可见联合体的情况。在很多(大多数？全部?)情况下，即使符合规则，如果联合体不可见，使用也将失败（例如：）

union  U { int i; float f; };

int f( int* pi, int* pf ) { int r = *pi; *pf = 3.14159; return r; }

//  ...
U u;
u.i = 1;
std::cout << f( &u.i, &u.f );

实际上，我已经看到过使用g++编译器失败的情况，尽管根据标准来说，这是完全合法的。

此外，即使编译器支持写入 Point::x 并从 Point::v[0] 读取，也不能保证 Point::y 和 Point::v[1] 具有相同的物理地址。

- James Kanze

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谢谢回复！你提到 y 和 v[1] 没有保证的最后一点让我想起了一些 OpenGL 代码，特别是将顶点数据传递给 GPU。不确定你是否熟悉 glVertexAttribPointer()，但我认为代码看起来像这样：struct Vertex { float x, y, z; float u, v; } vertices[10]; glVertexAttribPointer( ..., 3, GL_FLOAT, ... , &verticies.x);我认为 OpenGL 会把它视为一个数组，但如果没有保证是相同的，那么这段代码将被视为未定义的？ - johndoe

如果他们实际上将"&verticies.x"视为数组第一个元素的指针，则该行为是未定义的（并且至少有过编译器在这种情况下会在执行时崩溃）。 - James Kanze

（我希望这个答案不会太晚！）你在 f() 的第二个参数中打算使用 float* 而不是 int* 吗？它是如何在 g++ 中失败的？ - janm

为什么这是合法的？你正在将float *传递给int *，这不应该编译。如果你将它更正为float *，那是否会被严格的指针别名禁止呢？ - Neil Kirk

Answer 2

标准要求在联合中，“每个数据成员都被分配，就好像它是结构体的唯一成员一样。”(9.5)

它还要求struct { float x, y; }和float v[2]必须具有相同的内部表示(9.2)，因此您可以安全地将一个重新解释为另一个

综合这两条规则，保证了您描述的union将在写入内存时正常工作。然而，由于标准仅要求最后一个写入的数据成员有效，理论上可能会出现实现失败的情况，如果联合只用作局部变量。不过，我很惊讶如果这种情况真的发生了。

- Jack Aidley

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这里唯一的“保证”是，如果您尝试读取最后一个写入之外的成员，则没有保证。我认为内部表示要求的讨论并不涉及其中。当然，GCC和其他主要编译器将愉快地提供“预期”的类型转换行为，但我不会向任何人暗示他们可以依赖此行为。 - underscore_d

Answer 3

我不明白为什么你使用了float v[2];

一个点结构的简单联合可以定义为：

union{

struct {

    float a;
    float b;
};

} Point;

您可以通过以下方式访问union中的值：

Point.a = 10.5; 

point.b = 12.2; //example

- Karthik

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联合的整个意义在于你可以同时通过 Point.x 和 Point.v[0] 访问 x。例如，在处理喜欢数组或基于坐标的形式的不同种类的API时，这非常有用。 - ComicSansMS

这不是问题所在，而且你的union甚至没有意义可以被视为union，一个struct会做得更好（但再次强调，这对于实际问题完全无关）。 - Christian Rau