Указатели в C абстрактнее, чем может показаться

в 9:34, , рубрики: C, c11, Блог компании PVS-Studio, Си, указатели

Указатель ссылается на ячейку памяти, а разыменовать указатель — значит считать значение указываемой ячейки. Значением самого указателя является адрес ячейки памяти. Стандарт языка C не оговаривает форму представления адресов памяти. Это очень важное замечание, поскольку разные архитектуры могут использовать разные модели адресации. Большинство современных архитектур использует линейное адресное пространство или аналогичное ему. Однако даже этот вопрос не оговаривается строго, поскольку адреса могут быть физическими или виртуальными. В некоторых архитектурах используется и вовсе нечисловое представление. Так, Symbolics Lisp Machine оперирует кортежами вида (object, offset) в качестве адресов.

Стандарт не оговаривает форму представления указателей, но оговаривает — в большей или меньшей степени — операции с ними. Ниже мы рассмотрим эти операции и особенности их определения в стандарте. Начнём со следующего примера:

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a, b;
    int *p = &a;
    int *q = &b + 1;
    printf("%p %p %dn", (void *)p, (void *)q, p == q);
    return 0;
}

Если мы скомпилируем этот код GCC и запустим программу под Linux x86-64, она напечатает следующее:

0x7fff4a35b19c 0x7fff4a35b19c 0

Обратите внимание, что указатели p и q ссылаются на один и тот же адрес. Однако результат выражения p == q есть false, и это на первый взгляд кажется странным. Разве два указателя на один и тот же адрес не должны быть равны?

Вот как стандарт C определяет результат проверки двух указателей на равенство:

C11 § 6.5.9 пункт 6

Два указателя равны тогда и только тогда, когда оба являются нулевыми, либо указывают на один и тот же объект (в том числе указатель на объект и первый подобъект в составе объекта) или функцию, либо указывают на позицию за последним элементом массива, либо один указатель ссылается на позицию за последним элементом массива, а другой — на начало другого массива, следующего сразу за первым в том же адресном пространстве.

Прежде всего возникает вопрос: что такое «объект»? Поскольку речь идёт о языке C, то очевидно, что здесь объекты не имеют ничего общего с объектами в языках ООП вроде C++. В стандарте C это понятие определяется не вполне строго:

C11 § 3.15

Объект — это область хранения данных в среде выполнения, содержимое которой может использоваться для представления значений

ПРИМЕЧАНИЕ При упоминании объект может рассматриваться как имеющий конкретный тип; см. 6.3.2.1.

Давайте разбираться. 16-битная целочисленная переменная — это набор данных в памяти, которые могут представлять 16-битные целочисленные значения. Следовательно, такая переменная является объектом. Будут ли два указателя равны, если один из них ссылается на первый байт данного целого числа, а второй — на второй байт этого же числа? Комитет по стандартизации языка, разумеется, имел в виду совсем не это. Но тут надо заметить, что на этот счёт у него нет чётких разъяснений, и мы вынуждены гадать, что же имелось в виду на самом деле.

Когда на пути встаёт компилятор

Вернёмся к нашему первому примеру. Указатель p получен из объекта a, а указатель q — из объекта b. Во втором случае применяется адресная арифметика, которая для операторов «плюс» и «минус» определена следующим образом:

C11 § 6.5.6 пункт 7

При использовании с этими операторами указатель на объект, не являющийся элементом массива, ведёт себя, как указатель на начало массива длиной в один элемент, тип которого соответствует типу исходного объекта.

Поскольку любой указатель на объект, не являющийся массивом, фактически становится указателем на массив длиной в один элемент, стандарт определяет адресную арифметику только для указателей на массивы — это уже пункт 8. Нас интересует следующая его часть:

C11 § 6.5.6 пункт 8

Если целочисленное выражение прибавляется к указателю или вычитается из него, результирующий указатель имеет тот же тип, что и исходный указатель. Если исходный указатель ссылается на элемент массива и массив имеет достаточную длину, то исходный и результирующий элементы отстоят друг от друга так, что разность между их индексами равна значению целочисленного выражения. Другими словами, если выражение P указывает на i-й элемент массива, выражения (P)+N (или равносильное ему N+(P)) и (P)-N (где N имеет значение n) указывают соответственно на (i+n)-й и (i−n)-й элементы массива, при условии что они существуют. Более того, если выражение P указывает на последний элемент массива, то выражение (P)+1 указывает на позицию за последним элементом массива, а если выражение Q указывает на позицию за последним элементом массива, то выражение (Q)-1 указывает на последний элемент массива. Если и исходный, и результирующий указатели ссылаются на элементы одного и того же массива либо на позицию за последним элементом массива, то переполнение исключено; в противном случае поведение не определено. Если результирующий указатель ссылается на позицию за последним элементом массива, к нему не может применяться унарный оператор *.

Из этого следует, что результатом выражения &b + 1 совершенно точно должен быть адрес, и, значит, p и q — это валидные указатели. Напомню, как определено равенство двух указателей в стандарте: "Два указателя равны тогда и только тогда, когда [...] один указатель ссылается на позицию за последним элементом массива, а другой — на начало другого массива, следующего сразу за первым в том же адресном пространстве" (C11 § 6.5.9 пункт 6). Именно это мы и наблюдаем в нашем примере. Указатель q ссылается на позицию за объектом b, за которым сразу же следует объект a, на который ссылается указатель p. Получается, в GCC баг? Это противоречие было описано в 2014 году как ошибка #61502, но разработчики GCC не считают его багом и поэтому исправлять его не собираются.

С похожей проблемой в 2016 году столкнулись программисты под Linux. Рассмотрим следующий код:

extern int _start[];
extern int _end[];

void foo(void) {
    for (int *i = _start; i != _end; ++i) { /* ... */ }
}

Символами _start и _end задают границы области памяти. Поскольку они вынесены во внешний файл, компилятор не знает, как на самом деле массивы расположены в памяти. По этой причине он должен здесь проявить осторожность и исходить из предположения, что они следуют в адресном пространстве друг за другом. Однако GCC компилирует условие цикла так, что оно всегда верно, из-за чего цикл становится бесконечным. Эта проблема описана вот в этом посте на LKML — там используется похожий фрагмент кода. Кажется, в данном случае авторы GCC все-таки учли замечания и изменили поведение компилятора. По крайней мере я не смог воспроизвести эту ошибку в версии GCC 7.3.1 под Linux x86_64.

Разгадка — в отчёте об ошибке #260?

Наш случай может прояснить отчёт об ошибке #260. Он больше касается неопределённых значений, однако в нём можно найти любопытный комментарий от комитета:

Реализации компиляторов [...] могут также различать указатели, полученные из разных объектов, даже если эти указатели имеют одинаковый набор битов.

Если понимать этот комментарий буквально, то тогда логично, что результат выражения p == q есть «ложь», так как p и q получены из разных объектов, никак не связанных между собой. Похоже, мы всё ближе подбираемся к истине — или нет? До сих пор мы имели дело с операторами равенства, а как насчёт операторов отношения?

Окончательная разгадка — в операторах отношения?

Определение операторов отношения <, <=, > и >= в контексте сравнения указателей содержит одну любопытную мысль:

C11 § 6.5.8 пункт 5

Результат сравнения двух указателей зависит от взаимного расположения указываемых объектов в адресном пространстве. Если два указателя на объектные типы ссылаются на один и тот же объект, либо оба ссылаются на позицию за последним элементом одного и того же массива, то такие указатели равны. Если указываемые объекты являются членами одного и того же составного объекта, то указатели на члены структуры, объявленные позже, больше указателей на члены, объявленные раньше, а указатели на элементы массива с большими индексами больше указателей на элементы того же массива с меньшими индексами. Все указатели на члены одного и того же объединения равны. Если выражение P указывает на элемент массива, а выражение Q — на последний элемент того же массива, то значение указателя-выражения Q+1 больше, чем значение выражения P. Во всех остальных случаях поведение не определено.

Согласно этому определению, результат сравнения указателей определён только в том случае, если указатели получены из одного и того же объекта. Покажем это на двух примерах.

int *p = malloc(64 * sizeof(int));
int *q = malloc(64 * sizeof(int));
if (p < q) // неопределённое поведение
    foo();

Здесь указатели p и q ссылаются на два разных объекта, которые не связаны между собой. Поэтому результат их сравнения не определён. А вот в следующем примере:

int *p = malloc(64 * sizeof(int));
int *q = p + 42;
if (p < q)
    foo();

указатели p и q ссылаются на один и тот же объект и, следовательно, связаны между собой. Значит, их можно сравнить — если только malloc не вернёт нулевое значение.

Резюме

Стандарт C11 недостаточно строго описывает сравнение указателей. Наиболее проблемным моментом, с которым мы столкнулись, стал пункт 6 § 6.5.9, где явно разрешено сравнивать два указателя, ссылающиеся на два разных массива. Это противоречит комментарию из отчёта об ошибке #260. Однако там речь идёт о неопределённых значениях, и я не хотел бы строить свои рассуждения на основании одного лишь этого комментария и толковать его в другом контексте. При сравнении указателей операторы отношения определяются несколько иначе, чем операторы равенства — а именно, операторы отношения определены, только если оба указателя получены из одного и того же объекта.

Если отвлечься от текста стандарта и задаться вопросом, можно ли сравнивать два указателя, полученных из двух различных объектов, то в любом случае ответ, скорее всего, будет «нет». Пример в начале статьи демонстрирует скорее теоретическую проблему. Поскольку переменные a и b имеют автоматическую продолжительность хранения, наши предположения об их размещении в памяти будут ненадёжными. В отдельных случаях мы можем угадать, но совершенно очевидно, что такой код не получится безопасно портировать, и узнать смысл программы можно, только скомпилировав и запустив или деассемблировав код, а это противоречит любой серьёзной парадигме программирования.

Однако в целом я не удовлетворён формулировками в стандарте C11, и так как уже несколько человек столкнулось с этой проблемой, актуальным остаётся вопрос: почему бы не сформулировать правила яснее?

Дополнение
Указатели на позицию за последним элементом массива

Что касается правила о сравнении и адресной арифметике указателей на позицию за последним элементом массива, сплошь и рядом можно найти исключения из него. Предположим, что стандарт не разрешал бы сравнивать два указателя, полученные из одного и того же массива, при том что хотя бы один из них ссылается на позицию за концом массива. Тогда следующий код не работал бы:

const int num = 64;
int x[num];

for (int *i = x; i < &x[num]; ++i) { /* ... */ }

С помощью цикла мы обходим весь массив x, состоящий из 64 элементов, т.е. тело цикла должно выполниться ровно 64 раза. Но на самом деле условие проверяется 65 раз — на один раз больше, чем число элементов в массиве. В первые 64 итерации указатель i всегда ссылается внутрь массива x, тогда как выражение &x[num] всегда указывает на позицию за последним элементом массива. На 65-й итерации указатель i будет также ссылаться на позицию за концом массива x, из-за чего условие цикла станет ложным. Это удобный способ обойти весь массив, при этом он опирается на исключение из правила о неопределённости поведения при сравнении таких указателей. Обратите внимание, что стандарт описывает поведение лишь при сравнении указателей; их разыменование — это отдельная тема.

Можно ли изменить наш пример так, чтобы на позицию за последним элементом массива x не ссылался бы ни один указатель? Можно, но это будет сложнее. Придётся изменить условие цикла и запретить инкремент переменной i на последней итерации.

const int num = 64;
int x[num];

for (int *i = x; i <= &x[num-1]; ++i) {
        /* ... */
        if (i == &x[num-1]) break;
}

В этом коде полно технических тонкостей, возня с которыми отвлекает от главной задачи. Кроме того, в теле цикла появилась дополнительная ветка. Так что я считаю разумным, что стандарт разрешает исключения при сравнении указателей на позицию за последним элементом массива.

Примечание команды PVS-Studio

При разработке анализатора кода PVS-Studio нам приходится иногда разбираться с тонкими моментами, чтобы сделать диагностики более точными или чтобы давать подробные консультации нашим клиентам. Эта статья показалась нам интересной, так как затрагивает вопросы, в которых мы сами до конца не чувствуем себя уверенными. Поэтому мы попросили у автора выложить на сайте эту статью и её перевод. Надеемся, так с ней познакомится больше C и C++ программистов и поймут, что не всё так просто и что, когда вдруг анализатор выдаёт странное сообщение, не стоит сразу спешить считать его ложным срабатыванием :).

Статья впервые была опубликована на английском языке на сайте stefansf.de. Оригинал и перевод публикуются на нашем сайте с разрешения автора.

Автор: Андрей Карпов

Источник


* - обязательные к заполнению поля