C++编译时计算对象与聚合体内存地址差的可预测性问询

需实现编译时计算对象与其聚合体的内存位置差，现提出以下技术问题：

• 在给定结构体B和C的完整代码的情况下，能否可靠预测下方C++程序的输出？
• 若答案为“否”（例如因平台依赖），是否存在可使其输出可预测的方法（如使用特定分配/对齐技术）？

程序代码 #

struct B{
    // ...
};

struct C{
    // ...
};

struct A{
    B b;
    C c;
};

int main(){
    A a;
    long db = (int*)(&a.b) - (int*)(&a  );
    long dc = (int*)(&a.c) - (int*)(&a.b);
    std::cout << "difference a.b to a   : " << db << "\n";
    std::cout << "difference a.c to a.b : " << dc << "\n";
}

备注 #

• 使用int*是因为C++不允许使用void*（据我所知）。
• 最终希望在另一个编译时，利用db,dc从给定的A类对象计算b和c的地址。

问题解答 #

1. 能否可靠预测输出？
   在给定B和C完整定义的前提下，同一编译环境（编译器版本、编译选项、目标平台架构）内可以可靠预测输出，但跨环境则不行。核心原因是C++标准允许编译器为结构体成员插入填充字节以满足对齐要求，而对齐规则是平台和编译器相关的：

• 不同CPU架构（如x86-64、ARM）的基本类型对齐要求不同；
• 编译器的编译选项（如-fpack-struct这类调整结构体打包的参数）会改变填充策略；
• 即使是同一编译器，不同版本的默认对齐规则也可能有差异。
  另外，代码中用int*进行指针减法的行为属于未定义行为——C++标准仅允许对同一数组中的指针进行减法操作，这里的强制类型转换虽然在多数实践中能得到预期结果，但严格来说不符合规范。

2. 如何让输出可预测？
   可以通过以下方法消除环境差异，让偏移量可预测：

• 使用标准编译时偏移计算方式：替换指针减法，使用<cstddef>头文件提供的offsetof宏，这是C++标准明确规定的合法方式。例如：size_t db = offsetof(A, b);，size_t dc = offsetof(A, c) - offsetof(A, b);，只要结构体是标准布局类型，该宏的结果就完全可靠；
• 强制结构体打包：使用编译器特定属性消除填充，比如GCC/Clang的__attribute__((packed))、MSVC的#pragma pack(push, 1)。但这种方式可能导致性能下降，甚至违反部分平台的对齐要求，引发未定义行为；
• 确保结构体为标准布局类型：标准布局结构体的内存布局有严格规范（成员按声明顺序排列、无虚函数、无非标准布局基类等），offsetof对这类结构体的行为完全符合标准，可保证跨环境一致性（前提是目标环境中数据类型的大小一致）；
• 固定编译环境：统一使用特定版本的编译器、编译选项和目标平台，这种方式能保证同一环境下的偏移量稳定，但无法跨环境通用。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者pwtrzep