任何类型的指针都可以指向任何东西吗？

Question

这个说法正确吗？任何“类型”的指针都可以指向任何其他类型吗？ 因为我相信是这样的，还有一些疑问。

为什么需要声明明确类型的指针？例如：int或char？

我能想到的一个解释是：如果一个int类型的指针指向一个char数组，那么当指针被增加时，指针将从第0个位置跳到第2个位置，中间跳过第1个位置（因为int大小为2）。

也许是因为指针只保存值的地址，而不是值本身，即int或double。

我错了吗？那个说法正确吗？

- Abhinav Gauniyal

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任何一种指针都能指向任何其他类型的指针吗？不行。 - juanchopanza

任何类型的指针都可以指向其他类型吗？这是一个问题，而不是陈述。 - Paddyd

看起来你理解得很好。如果你对指针的类型进行转换，那么你可以将任何指针分配给任何地址，但结果可能是不正确的。 - Kevin Panko

为什么被踩了？这实际上是一个很好的问题。 - DrakaSAN

我不确定为什么人们要投票关闭这个问题。我认为这是一个关于编程的问题，具体涉及指针语义。 - Keith Thompson

Answer 1

指针可能是可互换的，但不一定必须互换。

特别地，在某些平台上，某些类型需要对齐到特定的字节边界。因此，虽然char可以在内存中的任何位置，但int可能需要在4字节边界上。

另一个重要的潜在差异是函数指针。
在许多平台上，指向函数的指针可能无法与指向数据类型的指针互换。

需要强调的是：这是特定于平台的。

我相信Intel x86体系结构将所有指针视为相同的。但是您可能会遇到其他平台，该语句不成立。

- abelenky

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我强烈怀疑在任何平台上，将一个指针从一种类型转换为另一种类型不会修改地址值。我知道解引用未对齐的指针可能会导致异常，但我怀疑编译器在进行转换时会对齐指针。我看不到这种行为的任何好处或动机。 - Spidey

指针是否被不同对待？尽管所有指针无论其类型都仅用于存储该位置的内存地址，但这些内存地址是否因类型而异？ - Abhinav Gauniyal

我可以设计一台机器，其中所有字符都存储在16位地址空间中，整数存储在不同的24位地址空间中，其他类型存储在单独的32位地址空间中，可执行代码则在64位地址空间中。从C++的角度来看，这样的设计是完全合法的，各种指针彼此完全不兼容。 - abelenky

这让我想起了在我的英特尔电脑上编写作业程序的日子，当时一切都运行良好，但后来发现在教授的UNIX工作站上程序会崩溃。 - Kevin Panko

是的，第一次在非英特爾平台上遇到對齊問題時，我感到非常震驚和困惑了好幾天。現在，辨識它們已經幾乎成為了本能。 :) - abelenky

Answer 2

每个指针都属于某个特定类型。有一种特殊的通用指针类型 void*，它可以指向任何对象类型，但在您可以对其进行解引用之前，必须将 void* 转换为某个特定的指针类型。（我忽略了函数指针类型。）

您可以将一个指针值从一个指针类型转换为另一个。在大多数情况下，将一个指针从 foo* 转换为 bar*，然后再转换回 foo*，会产生原始值——但实际上并不保证在所有情况下都是这样。

您可以使类型为 foo* 的指针指向类型为 bar 的对象，但是（a）这通常是一个坏主意，而且（b）在某些情况下，可能行不通（例如，如果目标类型 foo 和 bar 具有不同的大小或对齐要求）。

您可以使用类似以下方式的语句：

int n = 42;
char *p = (char*)&n;

这会导致p指向n -- 但是*p不会给你n的值，它将会把 n 的第一个字节作为char类型来输出。

指针算术的不同行为只是拥有不同指针类型的原因之一。这主要涉及到类型安全问题。如果你有一个int*类型的指针，你可以相对确信（除非你做了不安全的操作）它实际指向一个int对象。如果你试图将其作为另一种类型的对象处理，编译器通常会发出警告。

基本上，我们有不同的指针类型，和我们有其他不同类型的原因一样：我们可以通过编译器跟踪每个对象中存储的值的种类。

(有一些只有无类型通用指针的语言。在这种语言中，更难避免类型错误，例如存储一个类型的值并意外地将其作为另一种类型访问。)

- Keith Thompson

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@JohnDibling 强制转换是有效的。char* 可以别名任何其他指针类型。 - Simple

@Simple：你说得对，我收回所有话。睡眠不足会导致极度混乱。 - John Dibling

除了函数指针之外，@Simple。在PPC平台上，函数指针实际上可能比普通的char*更大，因此不能与普通指针互换。 - cmaster - reinstate monica

@cmaster：没错。关于void*和函数指针之间的转换是否被允许，也存在一些争议。（在我看来，它是可以的，但是它具有未定义的行为。）但至少，将函数指针转换为void*可能会丢失信息。 - Keith Thompson

Answer 3

任何指针都可以引用内存中的任何位置，因此从技术上讲这个说法是正确的。但是，在重新解释指针类型时需要小心。

一个指针基本上有两个信息：一个内存位置和它期望在那里找到的类型。内存位置可以是任何东西。它可以是对象或值存储的位置；它可以是文本字符串中间的位置；或者它可以是未初始化内存的任意块。

指针中的类型信息是很重要的。您问题中的数组和指针算术解释是正确的——如果您尝试使用指针迭代内存中的数据，则类型必须正确，否则您可能无法正确迭代。这是因为不同类型具有不同的大小，并且可能对齐方式不同。

类型还重要的一点是程序中处理数据的方式。例如，如果您在内存中存储了一个int，但是通过取消引用float*指针来访问它，则可能会得到无用的结果（除非您出于特定原因编程）。这是因为int在内存中存储的方式与float的存储方式不同。

- Peter Bloomfield

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如果我没有执行迭代事件，甚至没有声明数组，那么编译器可能会预测，但是当我使用同一个指针首先指向Int，然后放弃它，然后下一次指向char时，它仍然会出错吗？因为我认为指针只存储地址，而且这不应该随着变量数据类型的更改而修改。 - Abhinav Gauniyal

如果您尝试将错误的类型分配给指针，例如将int的地址分配给char*指针，您的编译器可能会发出错误或警告。您可以使用reinterpret_cast<>()来覆盖错误/警告。在某些情况下，这是必要的，但绝对不是大多数程序中应该做的事情。 - Peter Bloomfield

Answer 4

有些指针比其他指针更重要...

首先，不是所有的指针都是同一种东西。例如，函数指针可以与数据指针非常不同。

Aside: Function pointers on PPC

On the PPC platform, this was quite obvious: A function pointer was actually two pointers under the hood, so there was simply no way to meaningfully cast a function pointer to a data pointer or back. I.e. the following would hold:

int* dataP;
int (*functionP)(int);

assert(sizeof(dataP) == 4);
assert(sizeof(functionP) == 8);
assert(sizeof(dataP) != sizeof(functionP));

//impossible:
//dataP = (int*)functionP;          //would loose information
//functionP = (int (*)(int))dataP;  //part of the resulting pointer would be garbage

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对齐

此外，存在对齐问题：根据平台的不同，某些数据类型可能需要在内存中对齐。这在向量数据类型中特别常见，但也适用于任何大于一个字节的类型。例如，如果一个 int 必须是 4 字节对齐，则以下代码可能会崩溃：

char a[4];
int* alias = (int*)a;
//int foo = *alias;    //may crash because alias is not aligned properly

如果指针来自于malloc()调用，那么这不是一个问题，因为它保证返回所有类型的足够对齐的指针：

char* a = malloc(sizeof(int));
int* alias = (int*)a;
*alias = 0;    //perfectly legal, the pointer is aligned

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严格别名和类型转换

最后，有严格的别名规则：您不能通过指向另一种类型的指针访问一个对象。类型转换是被禁止的：

assert(sizeof(float) == sizeof(uint32_t));
float foo = 42;
//uint32_t bits = *(uint32_t*)&foo;    //type punning is illegal

如果您一定需要将一个位模式重新解释为另一种类型，您必须使用memcpy()函数：

assert(sizeof(float) == sizeof(uint32_t));
float foo = 42;
uint32_t bits;
memcpy(&bits, &foo, sizeof(bits));    //bit pattern reinterpretation is legal when copying the data

为了让memcpy()等函数能够被实现，C/C++语言标准对char类型提供了一个异常：你可以将任何指针强制转换为char*，将char数据复制到另一个缓冲区，然后将该缓冲区作为其他类型进行访问。结果是由实现定义的，但标准允许这样做。使用案例大多是一般的数据操作程序（如I/O等）。

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简而言之：

指针的可替换性比你想象的要少得多。除了在char*之间进行转换（在“from”情况下检查对齐）外，不要以任何其他方式重新解释指针。即使对于函数指针也是如此。

- cmaster - reinstate monica

Answer 5

任何类型的指针都可以指向其他类型吗？

通常情况下不行。类型必须相关。

可以使用 reinterpret_cast 将一个指针从一种类型转换为另一种类型，但除非这些指针可以合法地使用 static_cast 进行转换，否则 reinterpret_cast 是无效的。因此，除非 Foo 和 Bar 实际上是相关的，否则不能执行 Foo* foo = ...; Bar* bar = (Bar*)foo;。

您还可以使用 reinterpret_cast 将对象指针转换为 void*，反之亦然，在这个意义上，void* 可以指向任何东西——但这不是您似乎在询问的内容。

此外，您可以从对象指针到整数值进行 reinterpret_cast，反之亦然，但同样不是您所询问的内容。

最后，对于char*特别例外。您可以使用任何其他类型的地址初始化char*变量，并对生成的指针执行指针数学运算。如果被指向的东西实际上不是char，则仍然无法通过指针进行解引用，但它可以转换回实际类型并以这种方式使用。

还要记住，每当您在任何上下文中使用reinterpret_cast时，您都在悬崖边跳舞。当类型不相关时，将指针解引用为Foo，而实际上它指向的是Bar会产生未定义的行为。您最好尽可能避免使用这些类型的转换。

- John Dibling

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如果我以某种方式将指针首先指向int，然后放弃该变量并将同一指针指向另一个char变量，我不知道这是否可能，但我认为它不应该产生错误，因为指针旨在存储地址，而类型只是表示对它们执行的算术操作。先生，我有什么地方说得对吗？ - Abhinav Gauniyal

@AbhinavGauniyal：你可以在实际指向int的char*上进行指针运算，但如果你使用该指针并且它不指向实际上是char的东西，那么你将得到未定义的行为。 - John Dibling

char* 必须实际指向一个 char 才能起作用。这是最基本的要求。 - John Dibling