C arrays 的指针运算

Question

我正在阅读 K&R 中关于数组运算的部分，遇到了一些奇怪的事情。 我发布了整个段落作为上下文，但我主要关注粗体部分：

如果p和q指向同一数组的成员，则== 、 != 、 < 、 >=等关系可以正常工作。 例如，如果p指向比q更早的数组成员，则p < q为真。 任何指针都可以有意义地与零进行相等或不相等的比较。 但是对于不指向同一数组成员的指针的算术或比较行为是未定义的。 （有一个例外：数组末尾之后的第一个元素的地址可用于指针运算。）

我在这里得到了一些答案（ C pointer arithmetic for arrays ）但我有如下所述的疑问：

我对此有疑问，因为以下代码似乎可以在取消引用和比较的情况下使用，而不会引发任何异常或错误：

#include <stdio.h>
    
int main() {
    int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int b[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int *p = &a[7];
    int *q = &b[3];
    printf("%d\n", p);
    printf("%d\n", q);
    printf("%d\n", q > p); // relational from different arrays
    printf("%d", *p);      // dereferencing also seems to work
}

有人能帮忙吗？

代码应该抛出一个错误。

Answer 1

您的代码在多个地方有未定义的行为，但 C 语言没有定义在未定义行为的情况下会发生什么：任何事情都可能发生。 没有要抛出的异常或错误，程序可能会崩溃，产生意想不到的结果或似乎工作并产生预期的结果......任何事情都会发生，没有什么可以期待的。

这些地方有未定义的行为：

• int *p = &a[7]; 您计算数组末尾之外a数组中不存在的元素的地址，而不是末尾之后的元素。
• printf("%d\n", p); 您传递一个指向int的指针，其中printf需要一个int 。 你应该写printf("%p\n", (void *)p);
• printf("%d\n", q); 同上
• printf("%d\n", q > p); 使用未初始化为有效表达式的p值
• printf("%d", *p); 取消引用无效指针p 。

请注意，C 标准比 K&R 书中关于相等指针比较的内容更精确：

6.5.8 关系运算符

5 出于这些运算符的目的，指向不是数组元素的 object 的指针与指向长度为 1 且元素类型为 object 的数组的第一个元素的指针的行为相同。

6 比较两个指针时，结果取决于所指向对象在地址空间中的相对位置。 如果指向 object 类型的两个指针都指向相同的 object，或者都指向同一数组 object 的最后一个元素之后的一个，则它们比较相等。 如果指向的对象是同一个聚合 object 的成员，则指向后声明的结构成员的指针比较大于指向结构中较早声明的成员的指针，指向具有较大下标值的数组元素的指针比较大于指向同一数组元素的指针具有较低的下标值。 指向同一联合 object 成员的所有指针比较相等。 如果表达式 P 指向数组 object 的一个元素，而表达式 Q 指向同一个数组 object 的最后一个元素，则指针表达式 Q+1 比较大于 P。在所有其他情况下，行为未定义。

6.5.9 相等运算符

6...如果一个操作数是指针，另一个是null指针常量，则将null指针常量转换为指针的类型。 如果一个操作数是指向 object 类型的指针，而另一个是指向 void 的限定或非限定版本的指针，则前者将转换为后者的类型。

7 两个指针比较相等当且仅当都是 null 指针，两者都是指向相同的 object（包括指向 object 的指针和其开头的子对象）或 function，两者都是指向相同的最后一个元素的指针数组 object，或者一个是指向一个数组 object 末尾的指针，另一个是指向另一个数组 object 的开始的指针，该数组恰好紧跟在地址空间中的第一个数组 object 之后。

这是具有定义行为的修改版本：

#include <stdio.h>
    
int main() {
    int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int b[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int *p = &a[3];
    int *q = &a[5];
    int *r = &b[0];

    // printing pointer values
    printf("p:      %p\n", (void *)p);
    printf("q:      %p\n", (void *)q);
    printf("r:      %p\n", (void *)r);

    // p, q and r can be compared to 0
    printf("p == 0: %d\n", p == 0);  // outputs 0
    printf("q != 0: %d\n", q != 0);  // outputs 1
    printf("!r:     %d\n", !r);      // outputs 0

    // p and q can be compared for equality and order
    printf("p < q:  %d\n", p < q);  // outputs 1
    printf("p != q: %d\n", p != q); // outputs 1

    // p and r can only be compared for equality
    printf("p != r: %d\n", p != r); // outputs 1

    // q and r can only be compared for equality but the result is unspecified:
    //   it is compiler dependent depends on the memory layout
    printf("q != r: %d\n", q != r); // may output 1 or 0
    return 0;
}

Answer 2

您正在使用未定义的行为。 这意味着您不能依赖它——它可能有一天会很好地工作，而在另一天可能根本不起作用。 但无论如何 - 你不能相信它。

这就是未定义行为如此危险的原因。 有时它可能工作正常，直到有一天在没有事先警告的情况下可怕地失败。