C/C++では関数ポインタの大きさがvoid *の大きさを越える場合がある？

Question

質問「関数へのポインタを返す関数」のSaitoAtsushiさんの回答で

他の方の回答では void* を使うという提案もありますが、厳密に言えば言語仕様上は関数ポインタは void* よりも大きい幅である可能性があるのでお勧めできません。

と述べています。私は今まで全てのポインタは同じ大きさであると信じており、すべてはvoid *へキャストでき、また、void *にキャストされたポインタは元の型に(もちろん同じであるある必要がありますが)キャストできると思っていました。でも、関数ポインタの場合はどうやら異なるようです。

そこで、どのような環境において、どのように異なるのか、また、そのときのintptr_tとの関係はどうなるのか(そもそもないとか、void *に合わせてあるとか)について教えてください。

なお、手元の環境(Win10+Visual Studio 2017、Win10+MSYSY2+Mingw-w64 GCC、Bash on Ubuntu on Windows+GCC、Bash on Ubuntu on Windows+Clang)で下記のコードを試したのですが、32bitでは全て4、64bitでは全て8と、異なる幅であることは確認できませんでした。

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("%zu\n", sizeof(void *));
	printf("%zu\n", sizeof(int *));
	printf("%zu\n", sizeof(double *));
	printf("%zu\n", sizeof(void (*)(void)));
	printf("%zu\n", sizeof(int (*)(int)));
	printf("%zu\n", sizeof(intptr_t));
	return 0;
}

その他、N1570のp.580に

J.5.7 Function pointer casts
1 A pointer to an object or to void may be cast to a pointer to a function, allowing data to be invoked as a function (6.5.4).
2 A pointer to a function may be cast to a pointer to an object or to void, allowing a function to be inspected or modified (for example, by a debugger) (6.5.4).

とありましたが、互換性のための国際標準を示す付録なので言語仕様外なのかも知れません。C++の仕様は確認できていないです。

Answer 1

6.3.2.3 ではオブジェクト型や不完全型を指すポインタは void* へ変換可能で、元の型に変換したときは元の値と等しいということが述べられれています。 また、関数ポインタ同士の型変換についても同じ項目で述べられています。 オブジェクト型と不完全型を名指しで示していて関数を含まないのは、関数ポインタでは出来ない可能性があるという意味だと理解しています。 関数ポインタでも出来るのであればこの項目で言及があって然るべきなので。

そして、実際にそうなる環境の一例ですが、 MS-DOS 用のプログラムではプログラムが異なるセグメントに配置され、データはひとつのセグメントに収まるというようなメモリレイアウトを選択した場合です。

質問で提示されているプログラムを Open Watcom C/C++ 1.9 で以下のようなコマンドを用いてミディアムモデルでコンパイルした場合、

wcc "test.c" -za99 -bt=dos -fo=.obj -mm
wlink name test system dos op q file test.obj

以下のように表示されます

2
2
2
4
4
2

Answer 2

どのような環境において、どのように異なるのか

最近のPCやOS環境、「データ」と「プログラム（コード）」を同一メモリ空間上で扱えるノイマン型アーキテクチャ環境では、サイズの違がないのが一般的かと思います。

• データとプログラムのメモリ空間に互換性が無い、ハーバード型アーキテクチャの環境では、データ型ポインタサイズと関数型ポインタサイズは異なる可能性があります。
• メモリセグメントモデル（例: Intel x86プロセッサと古のOS）を採用する環境では、セグメントを跨ぐか否かでポインタサイズが異なる可能性があります。

そのときのintptr_tとの関係はどうなるのか(そもそもないとか、void *に合わせてあるとか)について教えてください。

• C言語：sizeof(intptr_t) == sizoef(void*) が保証されます。（C11 §7.20.1.4）
• C++言語：C99仕様をNormativeに参照しており、C言語の仕様と同一です。（C++14 §18.4.1）

J.5.7 Function pointer casts

C言語仕様の"Annex J (informative) Portability issues"はその表題通りInformative(情報提供)です。Normative(標準)ではないため「参考までにそういう処理系があるかもね」と言っているだけです。

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おまけ：厳密には「関数ポインタ型」ではありませんが、C++の「メンバ関数ポインタ型」は明らかにvoid*より大きくなります。（ほぼ全てのC++処理系でそうなるはず）

#include <iostream>

int main() {
  struct X;
  std::cout
    << sizeof(void*) << '\n'
    << sizeof(void (X::*)(int)) << std::endl;      
}