為什么可以在c中存儲指向int變量的int指針的信息內容？

Question

讓我們考慮以下代碼：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int v1, v2, *p;
    p = &v1;
    v2 = &v1;
    printf("%d\t%d\n",p,v2);
    printf("%d\t%d\n",sizeof(v2),sizeof(p));
    return 0;
}

正如預期的那樣，我們可以看到 v2 變量（ int ）占用 4 個字節，而p變量（ int指針）占用 8 個字節。

那么，如果一個指針占用了 memory 的 4 個字節以上，為什么我們可以將它的內容存儲在一個int變量中呢？

在底層實現中，指針變量是只存儲另一個變量的memory地址，還是存儲其他東西？

Answer 1

總是有一個警告，見下文。

main.c: In function ‘main’:
main.c:6:8: warning: assignment to ‘int’ from ‘int *’ makes integer from pointer without a cast [-Wint-conversion]
     v2 = &v1;

main.c: In function ‘main’:
main.c:6:10: warning: cast from pointer to integer of different size [-Wpointer-to-int-cast]
     v2 = (int) &v1;

在第一種情況下，僅將 integer 值設置為指針值是不合適的，因為它不是兼容類型。

在第二種情況下，通過轉換指向 integer 的指針，編譯器識別出不同大小的問題，這意味着 v2 不能完全容納 (int) &v1;

結論：就創建不良行為而言，這兩種情況都是“不好的”。

關於您的問題“那么，如果指針占用 memory 的 4 個以上字節，為什么我們可以將其內容存儲在 int 變量中？” - 它不能完全存儲在 int 變量中。

關於您的問題“在底層實現中，指針變量是否僅存儲另一個變量的 memory 地址，還是存儲其他內容？” - 指針只指向一個地址。 （它可能是另一個變量的地址，也可能不是。沒關系。它只是指向一個地址。）

Answer 2

理解這里發生了什么的關鍵是 C 是底層ISA之上的抽象層。 大多數架構只有寄存器和 memory 地址¹可以使用，所有這些都是固定大小的。 在操作“變量”時，您實際上只是在表達您的意圖，編譯器會將其轉換為更具體的指令。

在 x86_64（一種常見的架構）上， int實際上是 64 位寄存器的一部分，或者它是 memory 中的 4 字節位置，在 4 字節邊界上對齊。 int*是 memory 中的 64 位值或 8 字節位置，具有相應的 alignment 約束。

允許將int*值放入適當大小的變量中，例如uint64_t 。 將該值放回指針並執行該指針可能是不允許的，這取決於您的架構。

從程序員的角度來看，指針只是 64 位數據。 從 CPU 的角度來看，它可能包含更多內容，現代架構具有諸如內部“指針驗證碼”（PAC）之類的東西，可確保指針不能從外部源注入。 它在引擎蓋下變得相當復雜。

一般來說，最好將指針視為不透明的，即它們的實際值與隨機值一樣好，並且與程序的內部操作無關。 只有當您使用足夠強大的分析工具在架構級別進行更深入的分析時，指針的實際內部才能提供信息或相關。

您可以對指針執行一些定義明確的操作，例如p[n]以訪問結構或分配范圍內的特定偏移量，但除此之外，您可以做的事情甚至推斷都非常有限。 請記住，現代 CPU 和操作系統使用虛擬 memory，因此指針地址是“假的”，並不代表它們在物理 memory 中的位置。 事實上，它們是故意打亂的，讓它們更難猜。

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¹這忽略了 VLIW、SIMD 和其他不那么簡單的擴展。

Answer 3

正如預期的那樣，我們可以看到 v2 變量（ int ）占用 4 個字節，而p變量（ int指針）占用 8 個字節。

我不確定您的期望的確切來源是什么。 C 語言沒有指定int或指針的大小。 它對int類型的可表示值范圍的要求提供了小至兩個 8 位字節的int大小，從歷史上看，這曾經是int相對常見的大小。 現在的一些實現有更大的int （也可能更大的char ，這是sizeof的度量單位。）。

我想您的意思是，在測試的實現中， int的大小小於int *的大小。 很公平。

那么，如果一個指針占用了 memory 的 4 個字節以上，為什么我們可以將它的內容存儲在一個int變量中呢？

誰說代碼將指針的（整個）內容存儲在int中？ 它將指針轉換為int , ^*但這並不意味着結果包含足夠的信息來恢復原始指針值。

這同樣適用於將double轉換為int或將int轉換為unsigned char （例如）。 這些賦值在沒有顯式類型轉換的情況下是允許的，但它們不一定是保值的。

也許你的困惑體現在“內容”這個詞上。 賦值不會將右側的表示存儲到左側 object。 如有必要，它將value轉換為目標對象的類型，並存儲結果。

在底層實現中，指針變量是只存儲另一個變量的memory地址，還是存儲其他東西？

實現可以並且已經改變，不同機器的“地址”的含義也是如此。 但現在最常見的是，指針表示為二進制數，表示平面地址空間中的位置。

但這並不重要。 C 指定指針可以轉換為整數，反之亦然。 它還提供 integer 類型intptr_t和uintptr_t （在stdint.h中），支持全保真往返void *到 integer 到void *轉換。 指針表示與這一切無關。 實現所涉及的類型和轉換是實現的責任，以便它們按要求運行，並且有不止一種方法可以做到這一點。

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^* C 實際上需要在指針和 integer 之間進行顯式轉換——即類型轉換。 語言規范沒有定義示例代碼中無強制轉換賦值的含義，但一些編譯器確實接受了這一點並隱式執行所需的轉換。 我的評論假設了這樣的實現。

Answer 4

那么，如果一個指針占用了 memory 的 4 個字節以上，為什么我們可以將它的內容存儲在一個 int 變量中呢？

你不能，確實你發布的代碼是不合法的。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int v1, v2, *p;

這聲明了int變量和一個名為p的指向int的指針。

    p = &v1;

這是合法的，因為您將 integer 變量v1的地址分配給p 。

    v2 = &v1;  /* INCORRECT!!! */

這不是。 它將另一個變量的地址分配給一個int變量（這是一個指針，正如您所說，這是不可能的）代碼編寫者最可能的意圖是：

    v2 = *p;

它將 integer 值分配給v2存儲在p指向的地址（它指向v1 ，因此它分配v2存儲在v1中的值。