为 int* 动态分配 100 个字节，然后尝试使用指针算法为其设置值有什么影响？

Question

在我最近回来的一次测试中，它有一个问题，大意是，"assuming this code compiles, what will it do?"

代码：

int *ptr

ptr = (int *) malloc( 25 * sizeof(int)); //100 bytes

*ptr = 'x';
*(ptr + 1) = 'x';
.... //go through all the values from 1 to 99 as well
*(ptr +99) = 'x';

我写了代码运行它和结果，用 printf(%d, *x) 打印时是 120，x 的 ascii 值。我知道 int 必须只是被设置为 x，当它被打印为 int 时，ascii 值被打印出来，但是当谈到 malloc 的实际效果是什么，以及所有 *(ptr + i) 确实如此。

Answer 1

malloc() 的实际效果是，使语句 *ptr = 'x'; 和后续访问 实际上 有效。

如果没有内存分配，尝试取消引用指针将调用 undefined behavior。

也就是说，

在尝试取消引用返回的指针之前，您必须检查 malloc() 是否成功。
指针运算遵循数据类型。所以，像 (ptr + 1) 这样的表达式指向下一个整数的内存位置，而不是下一个字节的内存。因此，表达式 (ptr + <n>) 的 RHS 的任何 n > 24 都将调用 UB.
25 * sizeof(int) == 100 bytes 的假设在很大程度上是特定于实现的。如果 sizeof(int) 小于 4 个字节，您将最终访问指针算术中的边界内存（即使您将指针别名为 char*，考虑到）。

Answer 2

在 C 语言中，数组和指针非常相似，为了简单起见，在这种情况下将它们视为相同是很方便的。因此，您可以将 malloc 视为动态分配 25 个整数的数组（例如，与动态地说 int ptr[25] 相同），或者您可以将其视为阻塞内存中的 25 个连续整数地址并将它们标记为有效。这样，ptr == &ptr[0]。取消引用运算符 * 表示 'change the value stored at this address'，它本质上是 'undoes' & 运算符。所以，*ptr == *(&ptr[0]) == ptr[0]。此命令只是将 ptr[0] 设置为等于 'x'，其 ASCII 值为 120（并将打印为 ASCII 值，因为数组的类型为 'int' 而不是 'char').其余的作业也这样做。根据您的编译器和操作系统，超过 ptr + 24 的任何内容都可能会给您带来分段错误或无效写入，因为您只分配了 25 个整数，因此 (ptr+99) 不应该是可写地址。如果您只分配了 25 个插槽，您应该无法编辑 ptr[99]。

Answer 3

哎呀，C指针算法是基于定义 *(ptr + i) is ptr[i].

这意味着当您为 25 个整数分配 space 时，所有超过第 24 个元素的访问都将调用未定义的行为 - 您实际上试图访问您不知道它代表什么的内存。

但是如果您使用指向 char（或指向 unsigned char）的指针，则允许访问字节级别的任何对象。所以假设在你的编译器中 sizeof(int) 是 4，这很好：

int *iptr;
char *cptr;
iptr = malloc( 25 * sizeof(int)); //100 bytes since we know that sizeof(int) is 4
cptr = (char *) iptr; // cast of pointer to any to pointer to char is valid
for(int i=0; i<25*sizeof(int); i++) cptr[i] = 'x'; // store chars 'x'
for(int i=0; i<25; i++) {
    printf(" %x", (unsigned int) iptr[i]);  // print the resulting ints in hexa
}
printf("\n");

假设您使用字符的 ASCII 表示（很常见），您应该得到 25 个值都等于 0x78787878，因为 0x78 是 'x' 的 ASCII 码。但是这部分是未指定的标准，只是实现定义。

Answer 4

I am stumped when it comes to what the actual effect of the malloc is

malloc 调用为您的数组分配 space。当您最初声明 ptr 时，它并未初始化为指向有效的内存位置：

     +---+
ptr: |   | ----> ???
     +---+

此时尝试通过 ptr 读取或写入将导致未定义的行为；您的代码可能会彻底崩溃，或者它可能会以某种方式破坏存储，或者它可能出现到运行没有任何问题。

malloc 调用从堆（a.k.a.，一个动态内存池）分配 space，并将 space 的第一个元素的地址分配给ptr:

     +---+
ptr: |   | ---+
     +---+    |
      ...     |
       +------+
       |
       V
     +---+
     |   | ptr[0]
     +---+
     |   | ptr[1]
     +---+
      ...

请注意，自 1989 年标准以来，malloc 调用上的 (int *) 强制转换就不再是必需的，并且实际上被认为是不好的做法（在 C89 下，它可能会掩盖错误）。 IMO，编写 malloc 调用的最佳方法是

T *p = malloc( N * sizeof *p );

其中 T 是任意类型，N 是您要分配的 T 类型元素的数量。由于 表达式 *p 的类型为 T，因此 sizeof *p 等价于 sizeof (T)。

and what all of the *(ptr + i) actually does.

*(ptr + i)等价于ptr[i]，所以

*ptr = 'x';
*(ptr + 1) = 'x';

相当于写作

ptr[0] = 'x';
ptr[1] = 'x';

请注意

*(ptr +99) = 'x';

超出了您分配的数组范围；你只为 25 个整数预留了足够的 space。同样，此操作（以及 i 大于 24 的任何操作 *(ptr + i) = 'x';）将导致未定义的行为，并且您的代码可能会崩溃、损坏数据或其他。

指针运算考虑了指向的类型； ptr + 1 生成 下一个整数对象 的地址，紧随 ptr 处的对象。因此，如果 ptr 是 0x8000 并且 sizeof (int) 是 4，则 ptr + 1 产生 0x8004， 而不是 0x8001.

为 int* 动态分配 100 个字节，然后尝试使用指针算法为其设置值有什么影响？

What is the effect of dynamically allocating 100 bytes for an int*, and then trying to set values to it using pointer arithmetic?

c

malloc

pointers

pointer-arithmetic