Linux下哪些C类型可保证页边界分配后内存拷贝值一致？

核心结论 #

在Linux环境下，只要满足以下两个条件的C类型，都能保证将变量val通过memcpy拷贝到mmap分配的页边界内存后，*(TYPE*)mem与原val值完全一致：

1. 类型的对齐要求不超过页边界的对齐级别（Linux下页大小通常为4KB或更大，远高于C标准中所有基础类型的对齐要求）；
2. 类型没有陷阱表示（trap representation），或者原变量val的取值不是该类型的陷阱表示。

满足要求的类型清单 #

• 无符号整数类型：unsigned char、unsigned short、unsigned int、unsigned long、unsigned long long等。无符号整数的所有位模式都是有效值，不存在陷阱表示。
• 有符号整数类型：signed char、short、int、long、long long等。Linux系统普遍采用二进制补码表示有符号整数，且无符号位/大小的padding，此时所有位模式都是有效值，无陷阱表示。
• 布尔类型：_Bool，仅包含0和1两个有效值，无陷阱表示。
• 枚举类型：枚举的底层实现是整数类型（通常是int），只要底层整数类型满足条件，枚举类型就满足要求。
• 指针类型：void*、int*等所有指针类型。Linux下指针的对齐要求（如64位系统为8字节，32位为4字节）远小于页对齐级别；且同一进程内，有效的指针值经memcpy字节拷贝后，地址有效性不变，取值与原指针一致。
• 复合类型：成员满足上述条件的结构体、联合体、数组。memcpy会完整拷贝包括填充字节在内的所有内容，因此拷贝后的复合类型对象与原对象完全一致。

标准依据 #

• C11标准（ISO/IEC 9899:2011）：
  • 6.2.6.1p3：无符号整数类型的每一种位组合都是该类型的有效值，不存在陷阱表示。
  • 6.2.6.2p2：对于采用二进制补码表示的有符号整数类型，若没有符号和大小信息的padding，则所有位模式都是有效值（Linux系统符合此实现定义）。
  • 7.24.2.1p2：memcpy函数将源对象的字节逐字节复制到目标对象，只要两个对象大小相同，目标对象的内容将与源对象完全一致。
  • 6.2.8p1：任何类型对象的对齐要求由实现定义，但基础类型的对齐要求不会超过其自身大小，而Linux的页大小（4KB）远大于所有基础类型的大小，因此页边界分配的内存满足所有基础类型的对齐要求。

补充说明 #

• char类型（包括signed char和unsigned char）之所以能保证一致性，本质是因为其大小为1，对齐要求最低，且无陷阱表示，完全符合上述条件。
• 对于Linux下常用的IEEE 754浮点类型，所有位模式要么是有效值，要么是NaN等合法特殊值，不属于陷阱表示，因此只要原变量取值合法，拷贝后也能保证一致性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Mark Galeck