Mdr-C-Tutorial

主题

对象表示 ​

本节介绍对象表示 (Object representation) 与值表示 (Value representation)。

你可以把它们理解为：

  1. 对象表示：对象在内存（抽象机器的字节序列）中的“原始字节形态”。
  2. 值表示：在这些字节形态中，哪些位模式 (Bit pattern) 对应“有效的值”。

这一区分解释了很多看似奇怪但非常重要的现象：例如“为什么同样是 4 字节，某些位模式对 float 是陷阱表示 (Trap representation)？”、“为什么结构体中会出现填充字节 (Padding)？”。

1. 对象表示 vs 值表示 ​

1.1 对象表示 (Object representation) ​

对象表示是对象占据的那段连续字节的内容。标准允许你通过字符类型（char、signed char、unsigned char）观察并复制对象表示。

1.2 值表示 (Value representation) 与填充位 ​

对某些类型而言，并非所有位模式都对应一个合法值：

  1. 某些位可能是填充位 (Padding bit)；
  2. 某些位模式可能是陷阱表示 (Trap representation)。

当一个对象的对象表示对应陷阱表示时，对该对象按其类型进行求值（读出“值”）可能触发 UB。

实践建议

除非你确实在做底层库（序列化、校验、哈希、协议），否则应尽量避免依赖“具体对象表示”。对象表示通常是实现定义的（例如大小端、浮点格式）。

2. 观察对象表示：标准写法 ​

2.1 使用 unsigned char 查看字节 ​

c
#include <stddef.h>
#include <stdio.h>

static void dump_bytes(const void* p, size_t n) {
    const unsigned char* b = (const unsigned char*)p;
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        printf("%02x%s", (unsigned)b[i], (i + 1 == n) ? "" : " ");
    }
    putchar('\n');
}

int main(void) {
    unsigned x = 0x11223344u;
    dump_bytes(&x, sizeof x);
    return 0;
}

该输出与机器的字节序 (Endianness) 有关：

  1. 若是小端序，通常输出 44 33 22 11；
  2. 若是大端序，通常输出 11 22 33 44。

注意：字节序属于实现定义行为 (Implementation-defined behavior)。

2.2 使用 memcpy 在类型之间搬运对象表示 ​

如果你想“把某个对象的对象表示解释成另一种类型”，标准最稳妥的方式是 memcpy（而不是指针强转后解引用）。

示例见 9.1 内存模型 中的 float / uint32_t 示例。

3. 对齐相关 ​

对象表示与对齐密切相关：对齐决定了对象能出现在哪些地址上，也影响结构体内部的填充布局。

  1. 9.2.1 对齐
  2. 9.2.2 alignof

4. 习题 ​

  1. 写程序分别观察 uint16_t、uint32_t、uint64_t 的字节序输出，并总结你的平台是大端还是小端。
  2. 写程序观察以下类型的 sizeof 与 alignof（见 9.2.2）：char、int、double、max_align_t。
  3. 设计一个“结构体布局观察”实验：对 struct { char a; int b; char c; } 输出：
    1. sizeof；
    2. offsetof（需要 <stddef.h>）；
    3. 对象表示（建议先把对象整体置零，再写入成员值）。