Object Model

对象模型是：C 语言如何在“抽象定义”与“真实机器内存”之间建立对应关系
换句话说：C 如何描述“一段内存，在什么时候，能被谁、以什么方式访问
这套描述，就是C 的对象模型

Object

在C 的语义中：对象 = 在程序执行期间存在的一段存储区域，其内容可以表示一个值

关键点：

• 执行期间 -> 生命周期
• 存储区域 -> 有地址、有大小
• 表示一个值 -> 必须能被类型解释

因此，没有存储期的东西，不是对象；不能被类型解释的东西，不是对象

对象是存储，不是值

对象不是数值、不是类型、不是名字

int x = 10;

• x：标识符（名字）
• int：类型（解释规则）
• 对象：一段内存（通常4字节）

对象只是那4个字节本身，10只是这4个字节在int规则下被解释出来的结果

换句话说，对象 = 内存；值 = 内存 + 类型解释

对象必须存在一段时间

对象一定有存储期（storage duration）

void f() {
    int x; 
}

• 进入函数 -> x的对象出现
• 离开函数 -> 对象消失

这就是”对象存在“的时间窗口

对比

# define N 10 

N没有对象，它从来没有”存在于内存中“

对象 =/ 变量

变量 = 具名对象
对象 =/ 一定有名字

int x; 

• 有对象，有名字 -> 变量

malloc(sizeof(int));

• 有对象，没有名字；只能通过指针访问它

struct S {
    int a;
    int b;
};

• struct S本身不是对象
• a, b是子对象（subobject）

对象是层级结构的

字符串字面量也是对象

"hello"

这是一个

• char[6]对象
• 静态存储期
• 没有名字
• 不能修改（修改是UB）

这解释了为什么

char *p = "hello";

拿到的是指向一个对象的指针，不是“字符串本身”

对象的三大支柱

C 的对象模型完全由这三件事支撑

1. 存储期（Storage Duration）

对象在什么时候存在，这是第一性问题

四种存储期

1. 自动存储期

void f() {
    int x;
}

• 进入作用域 -> 对象出现
• 离开作用域 -> 对象消失
• 通常在栈上

2. 静态存储期

static int x;
int g;

• 程序启动前分配
• 程序结束时销毁
• .data/ .bss/ .rodata

3. 动态存储期

int *p = malloc(sizeof *p);

• 运行期创建
• free之前一直存在
• 生命周期不依赖作用域

4. 线程存储期（C11）

_Thread_local int x;

• 每个线程一份对象
• 生命周期 = 线程

存储期决定：对象“在不在”

类型（Type）

对象本身只是比特，类型是解释规则，决定

• 对象占多大空间
• 对齐要求
• 读写方式
• 运算规则
• 是否允许别名

int x

• 对象：4字节（假设）
• 类型：int
• “10"只是解释结果，不是对象的一部分

类型不是对象的属性，而是访问对象时使用的规则。同一对象，用不同类型访问 -> UB或不同语义

标识与访问路径（Name/Lvalue）

对象可能有名字，没名字，有多个访问路径

int x;
int *p = &x;

• 一个对象
• 两条访问路径
• x和*p必须遵守类型系统一致性

这就是strict aliasing的根源

子对象模型

C的对象不是扁平的，是分层结构

数组对象

int a[4];

• 一个数组对象
• 包含4个int子对象
• 内存连续

数组不是“指针集合”，是一个整体对象

结构体对象

struct S {
    int a;
    char b;
};

• 一个 struct 对象
• 两个成员子对象
• 中间可能有padding（也是对象的一部分）

padding属于对象，但不属于任何子对象

联合体对象（union）

union U {
    int i;
    float f;
};

• 一个对象
• 多个成员重叠
• 一次只能有一个“有效成员”

对象可以嵌套，但规则仍是：一段内存 + 存在时间

对象 vs 表达式

x + 1

这不是对象

• 没有地址
• 没有存储期
• 只是一个临时计算结果

即使编译器真的用寄存器存了它，在语言语义上，它仍然不是对象

对象是语言层面的概念，不是”有没有寄存器“

对象与生命周期规则

几乎所有 C 的未定义行为，都来自对象模型被破坏

生命周期结束后访问

int *p;
{
    int x = 10;
    p = &x;
}
*p = 20; // UB

对象已不存在

越界访问

int a[4];
a[4] = 1; // UB 

对象模型之外

非法类型访问

int x;
float *p = (float*)&x;
*p = 1.0f; // UB （严格别名）

违反对象的“有效类型”

malloc 的特殊地位

void *p = malloc(16); 

此时：

• 对象存在
• 没有有效类型

第一次通过某种类型访问它

int *q = p;
*q = 10;

此时，对象的有效类型变为int
malloc 返回的是“未定型对象”

C 的对象模型实际上是程序员、编译器、硬件之间的三方契约

C 故意不等同于真实硬件

• 程序员视角：逻辑对象，有生命周期和类型语义
• 编译器视角：优化许可，可重排、可消除、可别名分析
• 硬件视角：最终映射，寄存器、内存、缓存的实际使用

这种分离正是C即能在高层抽象又能在底层操作的核心机制

C 的所有规则都围绕对象展开

没有对象模型，就不可能

• 定义 UB
• 允许 aggressive optimization
• 做别名分析
• 做栈/堆抽象
• 写可移植的底层代码

在C 语言里，没有对象，就没有未定义行为；没有未定义行为，就没有 C