C23标准（n3220）联合类型别名未定义行为条款问询

一、联合类型别名的禁止规则 #

C标准的严格别名规则（6.5p7）定义了程序中允许通过不同类型左值访问同一对象的合法场景，其中与联合相关的核心规则是：

• 若对象是联合类型，通过该联合的任意成员左值访问对象时，只要该成员类型与最近写入联合的成员类型兼容，或为字符类型，则属于合法访问；
• 除此之外，通过与对象类型不兼容且不在规则允许列表中的左值访问对象，均属于违规，会触发未定义行为。

脚注93进一步补充：使用联合进行类型双关是标准允许的行为，但该许可仅适用于直接通过联合成员访问的场景——即左值必须是.或->运算符直接作用于联合对象的结果，而非脱离联合上下文的独立指针。

二、两段代码的未定义行为分析（基于C23草案n3220） #

代码示例1 #

void f(int *a, char *b) {
  (*a)++;
  *a += *b;
}

int main() {
  union u {
    int a;
    char b;
  } x;
  x.a = 1;
  f(&x.a, &x.b);
}

问题分析

调用f前的代码均符合标准，但进入函数f后：

• 参数a是指向int的指针，b是指向char的指针，两者指向同一个联合对象的存储区域，但在f的上下文里，这两个指针没有关联到原联合对象——编译器无法通过指针追溯到它们指向的是同一个联合的成员。
• 根据6.5p7的严格别名规则，*b是char类型左值，访问的对象实际类型是int（因为最近写入的是x.a），且char与int不兼容，此时的访问不属于规则允许的场景。
• 脚注93明确类型双关的许可仅针对直接访问联合成员的情况，这里的*b是脱离联合上下文的指针解引用，不属于合法场景。
• 因此这段代码触发未定义行为，依据条款是6.5p7的严格别名规则。

代码示例2 #

union u {
  int a;
  char b;
};

void f(int *a, union u *x) {
  (*a)++;
  *a += x->b;
}

int main() {
  union u x;
  x.a = 1;
  f(&x.a, &x);
}

问题分析

在函数f的上下文里，x->b是直接通过联合指针访问成员的左值，符合脚注93允许的联合类型双关场景：

• 虽然a指向x.a，x->b访问的是同一个联合对象，但x->b是联合成员的直接访问，编译器必须考虑到联合对象的存储可能被不同成员类型访问的情况，不能假设*a的修改不会影响x->b的取值。
• 根据6.5p7和脚注93，这种通过联合成员直接访问的方式属于合法场景，因此这段代码严格合规，不会触发未定义行为。

补充疑问解答 #

1. 关于示例1的合规性：通过无法追溯到原联合的不相容类型左值访问联合存储，属于违反严格别名规则的行为，脚注93的类型双关许可仅适用于直接访问联合成员的左值（即./->的直接结果）。
2. 6.5p7与脚注93的看似矛盾：6.5p7是通用的别名规则，脚注93是对联合场景的特殊说明——联合成员的直接访问属于规则允许的例外，而脱离联合上下文的指针解引用则不适用该例外，二者不存在矛盾。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者ThomasP66