从0偏移量写入多维数组是否为UB？C/C++合法性求证

#include "stdio.h"

#define N 2
#define M 2

int main(void)
{
    int two_d[N][M];
    for(size_t i = 0; i < N*M; ++i) {
        two_d[0][i] = i;  // <---- 注意此行！
    }
    for(size_t i = 0; i < N; ++i) {
        for(size_t j = 0; j < M; ++j) {
            printf("%d\n", two_d[i][j]);
        }
    }
    return 0;
}

这段代码来自某知名实际项目，核心争议点在于two_d[0][i]当i >= M时的访问行为，存在两种观点：

• 观点1：二维数组内存连续布局，整体访问未越界，合法
• 观点2：访问了第一个子数组的边界外内存，属于未定义行为（UB）

本地编译及Godbolt测试中，C/C++编译器开启优化后均能正常运行，但需依据官方标准判断合法性。

1. C语言中的合法性判断 #

结论：属于未定义行为

根据C17标准§6.5.2.1（数组下标）：

下标运算符[]的定义是E1[E2]等价于(*((E1)+(E2)))。对于数组类型的表达式E1，其值是指向数组首元素的指针。当E2的值超出数组的有效下标范围时，指针运算和后续的解引用操作属于未定义行为。

代码中two_d[0]是长度为M的一维数组，当i >= M时，two_d[0][i]等价于*(two_d[0] + i)，此时two_d[0] + i指向第一个子数组的边界之外。尽管二维数组内存整体连续，但C标准并未允许通过单个子数组的指针访问其他子数组的元素。

同时，C17标准§6.2.5（类型）明确多维数组是“数组的数组”，每个子数组都是独立的数组对象，跨子数组的下标访问超出单个子数组的有效范围，触发未定义行为。

2. C++语言中的合法性判断 #

结论：属于未定义行为

根据C++20标准§7.6.1.2（数组下标）：

表达式E1[E2]等价于*((E1)+(E2))，其中E1是数组类型的表达式，E2是整数类型。如果E2的值不在数组的有效下标范围内（即0 <= E2 < 数组长度），则行为未定义。

two_d[0]是长度为M的int[M]数组，当i >= M时，two_d[0][i]的下标超出该子数组的有效范围。无论二维数组内存是否连续，这种访问都违反了数组下标必须在有效范围内的要求，属于未定义行为。

此外，C++标准中多维数组同样是“数组的数组”，每个子数组作为独立对象，其指针的运算和解引用不能超出自身边界，即使后续内存属于同一多维数组的其他部分。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者tntnkn