你所不知道的C语言：指针篇(Null pointer)

Null pointer?

考虑以下程序 (null.c)

<code>int main() { return (NULL == 0); }		/<code>

用 gcc-7.2 编译:

<code>null.c:1:22: 'NULL' undeclared (first use in this function)
int main() { return (NULL == 0); }
                     ^~~~
null.c:1:22: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in/<code>

表示 NULL 需要定义，我们加上 #include 即可通过编译。那 main 的返回值是 0 还是 1 (或非零) 呢？

• 根据 C99 规范 6.3.2.3

nothing requires the NULL pointer to have the numeric value of zero;

这点导致编程的歧义

• C99 规范6.3.2.3 - 3

A “null pointer constant” does not have to be a “null pointer”

空指针常数(null pointer constant)

• 根据C11 standard 6.3.2.3 对空指针常数 (null pointer constant)的定义：

An integer constant expression with the value 0, or such an expression cast to type void *, is called a null pointer constant.

大意是说，空指针常数代表计算结果为零的整数常数表达式，如 0 或 0ULL，或是上述表达式强制转换成 void*, 如 (void*)(0U)。

NULL是用MACRO定义，并由实际环境决定(implementation-defined)空指针常数。

• 对C来说，这两种写法都对：

#define NULL ((void *)0) // 一般C编译器常见的写法

#define NULL 0 // 也是符合定义的写法

((void*)0) 是空指针常数(null pointer constant)，

而((int *)0) 是类型为整数指针的空指针(null pointer)**，这两者是不一样的。

比较明显的区别时，空指针常数可以被赋值给任何类型指针的左值

而空指针只能被赋值给同样类型指针的左值(若不同类型会有warning)

• 以下是一个比较清楚的例子：

<code>int *a = 0;           // 沒问题，空指针常数
int *b = (int*) 0;    // 沒问题，右边是同类型的空指针
int *c = (void*) 0;   // C沒问题，右边是空指针常数，不过C++会挂
int *d = (long*) 0;   // 会有warning提示 (incompatible pointer type)
int *e = (int*) a;    // C不保证是空指针，C++会挂/<code>

只有常数表达式才能保证会转型成空指针，

执行期间才得到的零不保证可以成功转型成空指针

• 有另一个例子：

<code>typedef void (*func)(void);   // func f  = void (*f)();
func a = 0;                   // 沒事，a是空指针常数
func b = (void *)0;           // C 沒问题，C++会挂
func c = (void *)(void *)0;   // C 沒问题，C++会挂/<code>

• 根据C99 / C11 規格 6.3.2.3 - 3

“An integer constant expression with the value 0, or such an expression cast to type void *, is called a null pointer constant. 66) If a null pointer constant is converted to a pointer type, the resulting pointer, called a null pointer, is guaranteed to compare unequal to a pointer to any object or function.”

在 caller 端转换数值为 pointer type 时，就会变为null pointer。

• 延伸 C99/C11 規格 6.3.2.3 - 4

Conversion of a null pointer to another pointer type yields a null pointer of that type. Any two null pointers shall compare equal.

(void*)(uintptr_t) 0 本质上是个 null pointer，而 NULL 是 null ptr，以 C99 的观点。

• C99 规范 6.7.8 Initialization

当通过 malloc() 建立的对象经由 free() 释放后，应該将指针设定为 NULL

避免 doubly-free

• free() 传入 NULL 是安全的

两个 NULL 指针是否能比较？

• 根据C99 规范 6.3.2.3 - 3

“An integer constant expression with the value 0, or such an expression cast to type void *, is called a null pointer constant. 55) If a null pointer constant is converted to a pointer type, the resulting pointer, called a null pointer, is guaranteed to compare unequal to a pointer to any object or function.”

• 先解释 compare unequal

“compare unequal” 意味着 “a == b is false”，换句话说：“a != b is true”

• 接下來 C99 规范在 6.3.2.3 又说:

Conversion of a null pointer to another pointer type yields a null pointer of that type. Any two null pointers shall compare equal.

• 对 pointer type 作比较，又是另外的情况
• 根据 C99 规范6.5.8 - 5

“Comparison of pointers that do not point to the same object or to members of the same agregate is undefined.”

• 需要注意的是 condition (传入 assert() 的参数也是) 根据 C99 规范是 “a scalar type”，而pointers 也是 scalar

C 语言 offsetof 的定义

定义了，offsetof 宏，用于取得 struct 特定成员 (member) 的位移量。传统的实现方式如下:

<code>#define offsetof(st, m) ((size_t)&(((st *)0)->m))/<code>

这对许多 C 编译器 (像是早期的 gcc) 可正确运行，但依据C99 规范，这是 undefined behavior。后来的编译器就不再通过该宏来实现，而改用 builtin functions，像是 gcc:

<code>#define offsetof(st, m) __builtin_offsetof(st, m)/<code>

Linux 核心延申 offsetof，提供 container_of ，作为反向的操作，也就是给予成员地址址和类型，反过来找 struct 起始地址：

<code>#define container_of(ptr, type, member) ({ \
    const typeof(((type *) 0)->member) *__mptr = (ptr); \
    (type *) ((char *)__mptr - offsetof(type,member) );})/<code>