函数指针的解引用是如何发生的？

Posted 2023-02-14

【中文标题】函数指针的解引用是如何发生的？

【英文标题】：How does dereferencing of a function pointer happen?

【发布时间】：2011-02-17 05:50:40

【问题描述】：

为什么以及如何取消引用函数指针只是“什么都不做”？

这就是我要说的：

#include<stdio.h>

void hello()  printf("hello"); 

int main(void)  
    (*****hello)(); 

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来自here的评论：

函数指针只是取消引用 很好，但是结果函数 指定人将立即 转换回函数指针

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还有来自here的回答：

取消引用（以您认为的方式） 函数的指针意味着：访问一个 编码内存，因为它将是一个数据 记忆。

函数指针不应该是 以这种方式取消引用。相反，它 被调用。

我会使用“取消引用”的名称 与“呼叫”并排。没关系。

无论如何：C 是这样设计的 这两个函数名称标识符为 以及变量保持函数的 指针的含义相同：CODE的地址 记忆。它允许跳转到那个 通过使用 call() 语法来存储内存 在标识符或变量上。

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究竟函数指针的解引用是如何工作的？

【参考方案1】：

这不是一个完全正确的问题。至少对于 C，正确的问题是

右值上下文中的函数值会发生什么？

(一个右值上下文是任何一个名字或其他引用出现的地方，它应该被用作一个值，而不是一个位置——基本上除了在赋值的左侧之外的任何地方。名字本身来自 右侧-作业的手边。）

好的，那么在右值上下文中函数值会发生什么？它立即隐式转换为指向原始函数值的指针。如果您使用* 取消引用该指针，您将再次获得相同的函数值，该值会立即隐式转换为指针。您可以根据需要多次执行此操作。

您可以尝试两个类似的实验：

如果您在 lvalue 上下文（赋值的左侧）中取消引用函数指针会发生什么。 （答案将取决于您的期望，如果您记住函数是不可变的。）

在左值上下文中，数组值也被转换为指针，但它被转换为指向 element 类型的指针，而不是指向数组的指针。因此，取消引用它会给你一个元素，而不是一个数组，并且你表现出的疯狂不会发生。

希望这会有所帮助。

附：至于为什么函数值会被隐式转换为指针，答案是对于我们这些使用函数指针的人来说，不用到处使用& 是非常方便的。还有双重便利：调用位置的函数指针会自动转换为函数值，因此您不必编写* 来通过函数指针调用。

附言与 C 函数不同，C++ 函数可以重载，我没有资格评论语义在 C++ 中的工作原理。

【讨论】：

您能否详细说明“...隐式转换为指向原始函数值的指针”？你指的是函数的返回值吗？如果是这样，这是否意味着编译器会自动将该返回值保留为左值，尽管函数返回值是右值。谢谢！

你写函数指针在调用位置会自动转换为函数值——但事实恰恰相反。函数调用和数组索引运算符都要求“函数”/“数组”操作数实际上需要是a pointer。

【参考方案2】：

C++03 §4.3/1：

函数类型 T 的左值可以转换为“指向 T 的指针”类型的右值。结果是一个指向函数的指针。

如果您尝试对函数引用进行无效操作，例如一元 * 运算符，该语言首先会尝试进行标准转换。就像在将int 添加到float 时转换它一样。在函数引用上使用 * 会导致语言取而代之的是它的指针，在你的例子中，它是正方形 1。

另一种适用的情况是在分配函数指针时。

void f() 
    void (*recurse)() = f; // "f" is a reference; implicitly convert to ptr.
    recurse(); // call operator is defined for pointers

请注意，这不会以其他方式工作。

void f() 
    void (&recurse)() = &f; // "&f" is a pointer; ERROR can't convert to ref.
    recurse(); // OK - call operator is *separately* defined for references

函数引用变量很好，因为它们（理论上，我从未测试过）向编译器暗示，如果在封闭范围内初始化，可能不需要间接分支。

在 C99 中，取消引用函数指针会产生函数指示符。 §6.3.2.1/4：

函数指示符是具有函数类型的表达式。除非它是 sizeof 运算符或一元 & 运算符的操作数，否则类型为“函数返回类型”的函数指示符将转换为类型为“指向函数返回类型的指针”的表达式。

这更像是 Norman 的回答，但值得注意的是 C99 没有右值的概念。

【讨论】：

"在函数引用上" 实际上，表达式不能有引用类型。表达式可以是右值或左值。

【参考方案3】：

它发生在一些隐式转换中。事实上，根据 C 标准：

ISO/IEC 2011，第 6.3.2.1 节左值、数组和函数指示符，第 4 段

函数指示符是具有函数类型的表达式。除非它是 sizeof 运算符或一元 & 运算符的操作数，否则类型为“函数返回 type”的函数指示符将转换为类型为“指向函数返回的指针”的表达式类型”。

考虑以下代码：

void func(void);

int main(void)

    void (*ptr)(void) = func;
    return 0;

这里，函数指示符func 的类型为“函数返回void”，但立即转换为类型为“返回函数的指针void”。但是，如果你写

void (*ptr)(void) = &func;

那么函数指示符func 的类型为“函数返回void”，但一元运算符& 显式获取该函数的地址，最终产生“函数指针”类型返回void”。

这在 C 标准中有提到：

ISO/IEC 2011，第 6.5.3.2 节地址和间接运算符，第 3 段

一元 & 运算符产生其操作数的地址。如果操作数的类型为“type”，则结果的类型为“pointer to type”。

特别是，取消引用函数指针是多余的。根据 C 标准：

ISO/IEC 2011，第 6.5.2.2 节函数调用，第 1 段

表示被调用函数的表达式应具有“指向函数的指针返回void”类型或返回除数组类型之外的完整对象类型。大多数情况下，这是转换作为函数指示符的标识符的结果。

ISO/IEC 2011，第 6.5.3.2 节地址和间接运算符，第 4 段

一元* 运算符表示间接。如果操作数指向一个函数，则结果是一个函数指示符。

所以当你写的时候

ptr();

函数调用在没有隐式转换的情况下进行评估，因为ptr 已经是一个指向函数的指针。如果你明确地取消引用它

(*ptr)();

然后解引用产生类型“函数返回void”，该类型立即转换回类型“指向函数返回void”和函数通话发生。在编写由 x 一元 * 间接运算符如

组成的表达式时

(****ptr)();

然后你只需重复隐式转换 x 次。

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调用函数涉及函数指针是有道理的。在执行函数之前，程序会将函数的所有参数以与记录相反的顺序压入堆栈。然后程序发出call 指令，指示它希望启动哪个功能。 call 指令做了两件事：

首先它将下一条指令的地址（即返回地址）压入堆栈。 然后，它修改指令指针%eip指向函数的开始。

由于调用函数确实涉及修改指令指针，即内存地址，因此编译器将函数指示符隐式转换为指向函数的指针是有意义的。

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尽管这些隐式转换看起来不严谨，但它在 C 中很有用（与具有命名空间的 C++ 不同） 利用结构标识符定义的命名空间来封装变量。

考虑以下代码：

void create_person(void);
void update_person(void);
void delete_person(void);

struct Person 
    void (*create)(void);
    void (*update)(void);
    void (*delete)(void);
;

static struct Person person = 
    .create = &create_person,
    .update = &update_person,
    .delete = &delete_person,
;

int main(void)

    person.create();
    person.update();
    person.delete();
    return 0;

可以在其他翻译单元中隐藏库的实现，并选择仅公开封装函数指针的结构，以使用它们代替 实际 函数指示符。

【讨论】：

很好的解释。

【参考方案4】：

设身处地为编译器编写者着想。函数指针有一个定义明确的含义，它是一个指向表示机器代码的字节块的指针。

当程序员取消引用函数指针时，你会怎么做？您是否将机器代码的第一个（或 8 个）字节重新解释为指针？这行不通的可能性约为 20 亿比 1。你声明UB吗？已经有很多这样的事情了。还是您只是忽略尝试？你知道答案。

【讨论】：

如果我是编译器编写者，我会将其设为非法。这是一个有点误导性的答案。

【参考方案5】：

函数指针的解引用究竟是如何工作的？

两个步骤。第一步在编译时，第二步在运行时。

在第一步中，编译器看到它有一个指针和一个取消引用该指针的上下文（例如 (*pFoo)() ），因此它会针对这种情况生成代码，这些代码将在第 2 步中使用。

在第 2 步中，代码在运行时被执行。指针包含一些字节，指示接下来应该执行哪个函数。这些字节以某种方式加载到 CPU 中。一个常见的情况是 CPU 带有显式的CALL [register] 指令。在这样的系统上，函数指针可以只是函数在内存中的地址，而取消引用代码只是将该地址加载到寄存器中，然后是 CALL [register] 指令。