C标准下类型双关与联合类型访问及转换的合规性问询

背景回顾 #

C标准（ISO/IEC 9899:201x）的6.5.2.3.9例3给出了利用联合公共初始序列的合法代码：

#include<stdio.h>

union point {
  struct {
    int value;
  } x;
  struct {
    int value;
  } y;
};

int main() {
  union point p;
  p.x.value = 1;
  printf("%d\n", p.y.value);
}

对应的标准条款翻译如下：

为简化联合体的使用，标准做出一项特殊保证：如果联合体包含若干共享公共初始序列的结构体（定义见下文），且当前联合体对象中存储的是这些结构体之一，那么只要联合体的完整类型声明可见，就允许检查任意一个此类结构体的公共初始部分。当两个结构体的一段或多段初始成员具有兼容类型（对于位域，还要求宽度相同）时，它们共享公共初始序列。

问题1：如下代码是否符合C标准规定？ #

#include<stdio.h>

union point {
  int x;
  int y;
};

int main() {
  union point p;
  p.x = 1;
  printf("%d\n", p.y);
}

完全符合C标准规定。可以将两个int成员视为仅含单个成员的公共初始序列，满足“对应成员类型兼容”的要求。此外，联合的所有成员共享同一存储空间，给p.x赋值后，读取同类型的p.y本质是直接访问该存储区域的int值，这是标准明确允许的操作。

问题2：标准中是否有条款保证对象表示完全依赖于对象类型，从而确保上述代码合法？ #

是的。C标准（如ISO/IEC 9899:2011的6.2.6.1）规定：同一类型的所有对象具有相同的对象表示（二进制存储格式）。联合的成员共享存储空间，p.x和p.y都是int类型，因此它们的对象表示完全一致，读取p.y就是读取该存储区域的合法int值，标准对此有明确保证。

问题3：该规则是否适用于更复杂的类型（如struct或union）？ #

适用于符合条件的复杂类型。只要联合中的结构体成员共享公共初始序列，就可以合法跨成员访问。例如：

union demo {
  struct { int a; char b; } s1;
  struct { int a; double c; } s2;
};

s1和s2的第一个成员都是int a，属于公共初始序列，给demo.s1.a赋值后，读取demo.s2.a完全符合标准。

对于联合类型作为成员的情况，只要成员类型兼容或其公共初始序列符合要求，规则同样适用。但如果复杂类型的初始成员类型不兼容，跨成员访问就不符合标准。

问题4：给定如下联合定义，是否可以编写一个签名为union second convert(union first input)的纯函数，使其符合C标准，且无需记住union first中存储的成员类型，即可将匹配成员映射到union second中？ #

union first {
  int a;
  char b;
};

union second {
  int a; 
  char b;
  float c;
};

可以编写这样的纯函数。union first和union second的前两个成员类型完全兼容，联合的存储共享特性保证了union first的对象表示可以直接对应到union second的前半部分存储。

示例实现：

#include <string.h>

union second convert(union first input) {
  union second res;
  // 直接拷贝整个union first的存储内容到union second
  memcpy(&res, &input, sizeof(union first));
  return res;
}

无论input中存储的是a还是b，拷贝后res.a或res.b都能正确读取对应的值——因为两者的同类型成员对象表示完全一致，无需额外记录输入的成员类型。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Maksymilian Mika