关于C - union中的union作为一种类型并且读作另一种类型的问题 - 是否已实现定义？

Question

我正在阅读K＆amp; R中关于C的联合，据我所知，联合中的单个变量可以包含几种类型中的任何一种，如果某些东西存储为一种类型并且提取为另一种类型，则结果纯粹是实施定义。

现在请查看此代码段：

#include<stdio.h>

int main(void)
{
  union a
  {
     int i;
     char ch[2];
  };

  union a u;
  u.ch[0] = 3;
  u.ch[1] = 2;

  printf("%d %d %d\n", u.ch[0], u.ch[1], u.i);

  return 0;
}

输出：

3 2 515

这里我在 u.ch 中分配值，但是从 u.ch 和 u.i 中检索。它是实现定义的吗？或者我做的事情真的很傻？

我知道这对其他大多数人来说似乎很初学，但我无法弄清楚输出背后的原因。

感谢。

Answer 1

这是未定义的行为。 u.i 和 u.ch 位于相同的内存地址。因此，写入一个并从另一个读取的结果取决于编译器，平台，体系结构，有时甚至是编译器的优化级别。因此， u.i 的输出可能并不总是 515 。

实施例

例如，我的机器上的 gcc 为 -O0 和 -O2 生成两个不同的答案。

1. 因为我的机器具有32位小端架构，使用 -O0 ，我最终将两个最低有效字节初始化为2和3，两个最高有效字节未初始化。所以联盟的内存看起来像这样： {3,2，garbage，garbage}

   因此我得到的输出类似于 3 2 -1216937469 。

2. 使用 -O2 ，我像你一样得到 3 2 515 的输出，这使得union memory {3,2,0， 0} 。会发生什么是 gcc 使用实际值优化对 printf 的调用，因此程序集输出看起来像是等效于：

   #include <stdio.h>
   int main() {
       printf("%d %d %d\n", 3, 2, 515);
       return 0;
   }
   

   可以像在该问题的其他答案中解释的那样获得值515。从本质上讲，这意味着当 gcc 优化调用时，它选择了零作为未初始化联合的随机值。

写一个联盟成员并从另一个读取通常没有多大意义，但有时对于使用严格别名编译的程序可能很有用。

Answer 2

这个问题的答案取决于历史背景，因为语言的规范随时间而变化。而这件事恰好是受变化影响的人。

你说你正在读K＆amp; R.该书的最新版本（截至目前）描述了C语言的第一个标准化版本 - C89 / 90。在那个版本的C语言中，写一个联合成员并读取另一个成员是未定义的行为。不是实现定义（这是一个不同的东西），而是未定义的行为。在这种情况下，语言标准的相关部分是6.5 / 7.

现在，在C的演变的某个稍后阶段（应用技术勘误3的C99语言规范版本），使用联合进行类型惩罚突然变得合法，即写一个联盟成员然后读另一个成员。 / p>

请注意，尝试执行此操作仍可能导致未定义的行为。如果您读取的值对于您通读的类型无效（所谓的“陷阱表示”），则行为仍未定义。否则，您读取的值是实现定义的。

您的特定示例对于从 int 到 char [2] 数组的类型惩罚相对安全。在C语言中，将任何对象的内容重新解释为char数组总是合法的（同样，6.5 / 7）。

但事实并非如此。将数据写入union的 char [2] 数组成员，然后将其作为 int 读取，可能会创建陷阱表示并导致未定义的行为。即使您的char数组有足够的长度来覆盖整个 int ，也存在潜在的危险。

但是在你的特定情况下，如果 int 恰好大于 char [2] ，你读到的 int 将涵盖未初始化的区域超出数组的末尾，这又导致未定义的行为。

Answer 3

输出背后的原因是在您的机器上整数存储在 little-endian format：首先存储最不重要的字节。因此字节序列 [3,2,0,0]表示整数3 + 2 * 256 = 515。

此结果取决于具体实施和平台。

Answer 4

此类代码的输出将取决于您的平台和C编译器实现。您的输出让我觉得您在litte-endian系统（可能是x86）上运行此代码。如果您将515放入i并在调试器中查看它，您会看到最低位的字节为3，而内存中的下一个字节为2，它完全映射到您放入ch的内容。

如果你在big-endian系统上这样做，你可能（可能）得到770（假设16位整数）或50462720（假设32位整数）。

Answer 5

它取决于实现，结果可能因不同的平台/编译器而异，但似乎正是这样：

515二进制是

1000000011

填充零以使其为两个字节（假设为16位int）：

0000001000000011

这两个字节是：

00000010 and 00000011

2 和 3

希望有人解释为什么他们会被逆转 - 我的猜测是，字符不会被颠倒，但是int是小端。

分配给union的内存量等于存储最大成员所需的内存量。在这种情况下，你有一个int和一个长度为2的char数组。假设int是16位而char是8位，两者都需要相同的空间，因此union被分配了两个字节。

当您为char数组分配三个（00000011）和两个（00000010）时，union的状态为 0000001100000010 。当您从此联合中读取int时，它会将整个事物转换为整数。假设 little-endian 表示LSB存储在最低地址，int读取来自union的将是 0000001000000011 ，这是515的二进制文件。

注意：即使int是32位也是如此 - 检查 Amnon的回答

Answer 6

如果您使用的是32位系统，则int为4个字节，但您只需初始化2个字节。访问未初始化的数据是未定义的行为。

假设您使用的是16位整数的系统，那么您所做的仍然是实现定义的。如果你的系统是小端，那么u.ch [0]将对应于ui和u.ch的最低有效字节 1 将是最重要的字节。在大端系统上，它是另一种方式。此外，C标准不强制实现使用二进制补码来表示有符号整数值，虽然两个补码是最常见的。显然，整数的大小也是实现定义的。

提示：如果使用十六进制值，则更容易看到发生了什么。在小端系统上，十六进制的结果将是0x0203。