整数转换而来的指针做相等比较：属未定义行为还是实现定义行为？

#define POINTER_TO_SOMETHING ((int*)(0x80000000))
#define BAD_POINTER ((int*)(0x12345678))

int *p = some_condition ? POINTER_TO_SOMETHING + 42 : BAD_POINTER;
if (p == BAD_POINTER) { ... }

问题 #

上述代码是否存在未定义行为（UB），还是仅存在实现定义行为？

补充信息：该代码运行于负责管理页表等操作的内核模式下，0x80000000及后续4KB地址已在页表中注册，但这类硬件相关信息与C语言层面的行为判定无关。

已知涉及无效指针的关系比较（<、>、<=、>=）属于未定义行为，C标准相关条款如下：

6.5.8 Relational operators

shift-expression
relational-expression < shift-expression
relational-expression > shift-expression
relational-expression <= shift-expression
relational-expression >= shift-expression

When two pointers are compared, ...
In all other cases, the behavior is undefined. ...

但未找到针对相等比较（==）的相关限制要求。转换为uintptr_t类型可减少歧义，但这并非本次问题的关注点。

分析结论 #

1. 整数到指针的转换：实现定义行为 #

BAD_POINTER通过(int*)(0x12345678)将整数转换为指针，根据C标准6.3.2.3条款：

整数可以转换为任意指针类型。除前文规定的情况外，结果是实现定义的，可能未正确对齐，可能不指向引用类型的实体，也可能是陷阱表示。

这意味着：

• 如果转换结果是陷阱表示，则任何使用该指针的操作（包括赋值给p、参与相等比较）都会触发未定义行为；
• 如果转换结果不是陷阱表示，该指针的有效性由实现定义（此处它指向的是无效地址，不属于任何对象/函数的指针）。

2. 指针相等比较的行为 #

对于p == BAD_POINTER的比较，需分两种情况讨论：

• 当p取值为BAD_POINTER时：两个指针是同一值，根据C标准6.5.9条款，比较结果必然为1，这是标准定义的行为；
• 当p取值为POINTER_TO_SOMETHING + 42时：该指针是有效指针（指向已注册地址范围内的对象/数组元素），而BAD_POINTER是无效指针，二者不满足C标准6.5.9中规定的指针相等的四种情况（均非空指针、不指向同一对象/函数、不指向同一数组的末尾、也不属于相邻数组的首尾衔接），因此比较结果必然为0，这也是标准定义的行为。

总结 #

代码的行为取决于整数到指针转换的结果：

• 如果转换结果是陷阱表示，存在未定义行为；
• 如果转换结果不是陷阱表示，仅存在实现定义行为（转换本身的结果由实现决定，但后续的相等比较行为是标准定义的）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Sylvain Hubert