c - 打包的相同结构是否保证具有相同的内存布局？

Question

假设我有两个结构:object 和 widget:

struct object {
    int field;
    void *pointer;
};

struct widget {
    int field;
    void *pointer;
};

还有一个函数:

void consume(struct object *obj)
{
    printf("(%i, %p)\n", obj->field, obj->pointer);
}

我知道如果我尝试这样做:

struct widget wgt = {3, NULL};
consume(&wgt);

我会违反 strict aliasing rule ，因此具有未定义的行为。

据我所知，未定义的行为是由于编译器可能以不同方式对齐结构字段:也就是说，填充字段以与地址边界对齐(但从不更改字段顺序，因为顺序保证是遵守标准)。

但是如果这两个结构是 packed 呢？ ？他们会有相同的内存布局吗？或者，换句话说，上面的 consume() 是否仍然有未定义的行为(尽管有持续的编译器警告)？

注意:我使用 struct __attribute__((__packed__)) object { ... }; 进行打包 (GCC)。

Answer 1

它们很可能具有相同的布局；这将成为编译器 ABI 的一部分。

相关的架构和/或操作系统可能有一个标准的 ABI，它可能包含也可能不包含 packed 的规范。但是编译器将有自己的 ABI 以可预测的方式布置它们，尽管算法可能不会在编译器源代码以外的任何地方精确地写下来。

但是，这并不意味着您的代码是安全的。严格的别名规则适用于指向不同类型的指针，无论它们是否具有相同的布局。

这是一个可以用gcc -O2编译的例子:

#include <stdio.h>

__attribute__((packed))
struct object {
    int field;
    void *pointer;
};

__attribute__((packed))
struct widget {
    int field;
    void *pointer;
};

struct widget *some_widget;

__attribute__((noipa)) // prevent inlining which hides the bug
void consume(struct object *obj) 
{
    some_widget->field = 42;
    int val = obj->field;
    printf("%i\n", val);
}

int main(void) {
    struct widget wgt = {3, NULL};
    some_widget = &wgt;
    consume((struct object *)&wgt);
}

Try on godbolt

您可能希望此代码打印 42，因为 some_widget 和 obj 都指向 wgt 并且因此 val = obj->field 应该读取由 some_widget->field = 42 编写的相同的 int。但实际上它打印了 3。允许编译器假定 obj 和 some_widget 没有别名，因为它们具有不同的类型；所以写和读被认为是独立的，可以重新排序。

在标准层面上，您正在通过左值*some_widget 访问对象wgt，其有效类型为struct widget其类型为 struct object。这些类型不兼容，因为它们具有不同的标签(widget vs object)，因此行为未定义。