C23中nullptr_t是否破坏类型双关或指针转换？

背景与代码示例 #

联合类型定义 #

typedef union
{
  void*      vptr;
  nullptr_t  nptr;
} pun_intended;

根据C23标准草案n3096的7.21.2章节，nullptr_t与void*兼容，其大小、对齐方式同字符类型指针，nullptr的对象表示与void*空指针值的对象表示一致。

初始化操作 #

将void*成员初始化为非零值：

pun_intended foo = { .vptr = (void*)42 }; 

按照C23 6.3.2.3 §4，该整数转指针的转换属于实现定义行为；联合类型双关操作合法；通过字符类型指针检查对象内部表示的行为，在C23 6.3.2.3 §7中是定义良好的。

完整示例代码 #

#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
#include <stddef.h>

typedef union
{
  void*      vptr;
  nullptr_t  nptr;    
} pun_intended;

int main(void)
{
  pun_intended foo = { .vptr = (void*)42 };
  printf("Value: %" PRIuPTR "\n", (uintptr_t)foo.vptr);

  if(foo.nptr != (void*)42)
  {
    puts("It does not have value 42.");
    if(foo.nptr == nullptr)  
      puts("Because it's a nullptr.");
    else
      puts("But it's not a nullptr.");

    unsigned int val = *(unsigned char*)&foo; // 假设小端序
    printf("And it has value %d.\n", val);

    if(foo.vptr != nullptr)
    {
      puts("foo.vptr is however not a nullptr.");
    }
  }
}

不同编译器输出 #

Clang 16（-std=c2x）输出

Value: 42
It does not have value 42
Because it's a nullptr
And it has value 42.
foo.vptr is however not a nullptr

GCC 13.2（-std=c2x）输出

Value: 42
It does not have value 42.
But it's not a nullptr.
And it has value 42.
foo.vptr is however not a nullptr.

核心疑问与解答 #

核心问题 #

上述原本定义良好或实现定义的操作，在C23中是否变为未定义/未指定行为？若为是，标准中何处有相关说明？还是这些场景未被C23考虑，属于标准缺陷？

解答 #

1. 整数转void*的转换：C23 6.3.2.3 §4依然明确，将非零整数转换为指针类型属于实现定义行为，并未变为未定义行为。实现可自行决定是否支持该转换及具体行为逻辑。

2. 联合双关访问nullptr_t成员：

   • C23仅规定nullptr的对象表示与void*空指针一致，但未明确非空指针值的对象表示与nullptr_t类型值的对应关系。
   • 从两款编译器的差异输出可见，该场景属于未指定行为：标准未统一规定结果，由编译器自行判定非空指针对象表示对应的nullptr_t值是否为nullptr。

3. 通过字符指针检查对象表示：C23 6.3.2.3 §7仍允许通过字符类型指针访问对象的内部表示，该操作始终是定义良好的，这也是两款编译器都能正确输出对象第一个字节值42的原因。

4. 标准是否存在缺陷：
   目前C23标准草案仅覆盖了nullptr与void*空指针的对象表示一致性，未明确void*为非空值时联合双关访问nullptr_t成员的行为，导致编译器实现差异，属于标准未明确覆盖的场景，可视为待完善的细节缺陷。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Lundin