通过显式算术计算结构体元素指针是否符合ISO C标准？

问题 #

显式通过算术计算结构体元素指针的方式是否合法？以下程序是否符合ISO C标准（而非仅在特定编译器上可运行）？

struct foo {
  int a, b, c;
};

int f(struct foo *p) {
  // should return p->c
  char *q = ((char *)p) + 2 * sizeof(int);
  return *((int *)q);
}

初步分析 #

该程序似乎符合部分指针合法使用规则：

• 加载的值与地址存储的类型一致；
• 计算得到的指针的provenance合法，由有效指针偏移得到且仍在原存储实例内；
• 结构体内部无类型混合，不会产生导致元素偏移不可预测的填充。

结论与标准依据 #

这个程序完全符合ISO C标准，具体依据如下：

1. 结构体成员布局的确定性：
   ISO C标准规定，结构体成员按声明顺序存储，且成员的偏移量必须满足自身类型的对齐要求。对于连续的同类型成员（如本例中的int a, b, c），由于int的大小等于其对齐要求（绝大多数平台均如此，且标准允许的实现也会保证这一点），成员之间不会存在填充。因此c相对于结构体起始地址的偏移量确实是2 * sizeof(int)，显式计算的偏移是准确的。

2. 指针转换与算术的合法性：
   标准允许将任意对象指针转换为字符类型指针（char*/unsigned char*/signed char*），且字符指针的算术运算可以用来遍历对象的字节。本例中从struct foo*转换为char*后进行偏移，得到的指针仍指向原结构体对象的内部，指针的来源（provenance）合法。

3. 指针转回与解引用的合法性：
   将字符指针转回int*时，由于c的地址满足int类型的对齐要求（结构体起始地址对齐，偏移量是sizeof(int)的整数倍），转换后的指针是合法对齐的。后续解引用该指针时，访问的对象类型与指针类型一致，符合标准对指针解引用的要求。

注意事项 #

如果结构体成员类型不同，或成员之间因对齐要求存在填充，这种显式计算偏移的方式会导致未定义行为——但本例的结构体不存在这类问题，因此可以安全使用。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者rwallace