将8字节指针存入4字节int数组：memcpy与元素赋值的差异及失败原因

问题场景 #

现有一个包含32个4字节整数的数组arr，需要用最后两个元素（arr[30]和arr[31]）的内存空间存储一个8字节指针p。使用memcpy的写法能通过断言assert(ptr == p)，但直接赋值数组元素的写法断言失败，求后者失败的原因。

两种写法代码如下：

memcpy写法 #

// store the pointer
auto address = reinterpret_cast<int*>(p);
std::memcpy(&Memory[30], &address, sizeof(address));

// retrieve the pointer
int *ptr;
std::memcpy(&ptr, &Memory[30], sizeof(ptr));

// test - succeed
assert(ptr == p);

数组元素赋值写法 #

// store the pointer
auto address = reinterpret_cast<int*>(p);
Memory[30] = address[0];
Memory[31] = address[1];

// retrieve the pointer
int *ptr;
std::memcpy(&ptr, &Memory[30], sizeof(ptr));

// test - failed
assert(ptr == p);

失败原因分析 #

核心问题出在指针内存布局的字节级完整性，以及整数赋值时的类型转换副作用：

• memcpy的可靠之处：memcpy是纯粹的字节复制操作，它会把8字节指针address的每一个字节原封不动地拷贝到Memory[30]和Memory[31]对应的连续8字节内存块里，完全保留指针的原始字节结构，所以后续读取时能精准还原出原指针值。

• 数组赋值写法的问题：

  1. 跨类型访问的未定义行为：把指针p强转成int*后，通过address[0]和address[1]拆分指针的操作属于C++标准中的未定义行为——编译器可能会进行优化，导致取出的int值并非指针的原始字节内容。
  2. 符号扩展破坏原始字节：Memory是int类型数组，赋值时会执行int类型的值拷贝。如果指针的某4字节段按int补码规则是负数，赋值时会触发符号扩展，高位被填充为1，直接篡改了原始的字节序列，而我们需要的是指针的原始字节，不是经过类型转换的int值。
  3. 内存布局的隐性篡改：即使没有符号扩展问题，赋值操作可能会引入编译器的对齐处理、值规范化等优化，导致Memory[30]和Memory[31]的内存内容和指针的原始字节不再一致。

总结：memcpy是字节级的精准复制，完全贴合需求；而数组元素赋值是基于int类型的值传递，会引入类型转换的副作用，破坏指针的原始内存布局，最终无法还原出正确的指针。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者heturing