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C語言必踩神坑,世上本沒有坑,摔的人多了,也就有了坑!

2020-09-28 18:17:29 後端開發

這是一個傷心的故事,有多少小伙伴在寫C語言代碼時遇到過的情景!

提問:C語言中,未初始化的區域變數到底是多少?

答案往往是:

  ? 與編譯器有關;

  ? 可能但不保證初始化為0;

  ? 未確定,

總之,全部都是些一本正經的形而上答案,這很令人討厭,

但凡一些人給你滔滔不絕地扯編譯器,C庫,處理器體系結構卻給不出一個實際場景復現問題的時候,這人大概率在扯淡,

其實,這個問題本身就是錯誤的問法,說全了能講10萬字,我們只要能在特定場景下確定其特定行為就OK了,當然,這就需要設計一個比較OK的實驗,

在演示一個實際代碼行為之前,先給出一個知識,CPU不認識變數,更無法識別變數的名字,CPU只會從特定的記憶體位置取值或者將值存到特定的記憶體位置,因此當問一個變數的值是多少的時候,必須要知道這個變數對應的值被保存在什么地方,

來看下面的代碼:

#include <stdio.h>

void func1()

{

  int a;

  printf("func1:%d\n", a);

  a = 12345;

}

void func2()

{

  int b;

  printf("func2:%d\n", b);

}

void func4()

{

  int d;

  printf("func3:%d\n", d);

}

void func3()

{

  int c;

  printf("func3:%d\n", c);

  c = 54321;

  func4();

}

void test_call()

{

  func3();

}

int main(int argc, char **argv)

{

  func1();

  func2();

  test_call();

}

——————————

我們有func1~func4一共4個函式,其內部均有一個未初始化的區域變數,它們的值到底是多少呢?

對于這種區域變數,它們的值取決于:

  ? 變數在堆疊中的位置,

  ? 變數對應的堆疊位置在 之前 有沒有被store過,

可以看到,上述第一點標記了一個記憶體位置,第二點則是代碼的行為,也就是說,只要有代碼去store對應的位置, 且后續的代碼沒有reset該位置的值的話,該位置就會保留著原先被store后的值,

驗證非常簡單,試一下就知道了:

[root@localhost test]# ./a.out

func1:0

func2:12345

func3:0

func3:0

————————————

按照函式呼叫堆疊幀的變化,func1的區域變數a和func2的區域變數b顯然是位于同一個位置的,在func1被呼叫時,這是一塊新的記憶體(可能在進入main之前有堆疊幀到達過這個位置),a的值取決于調入記憶體該位置的頁面對應偏移的初始值,這取決于作業系統:

  ? 作業系統在分配給程式頁面時可能會將頁面clear為零頁,

堆疊的分配不會涉及C庫,這里顯然并不涉及C庫的行為,但類似malloc分配的記憶體則涉及C庫了,

列印結果,a的值為0,我們認為作業系統回傳給了應用程式零頁,接下來在func1中將其賦值12345之后函式回傳,接下來呼叫func2的時候,在之前func1已經退出的堆疊幀位置重建堆疊幀,對應位置依然還是12345,

我沒有看到func1的ret操作后面有stack清0的代碼指令,效率考慮,也不該有這樣的指令,

再看test_call函式,很明顯,func3和func4呼叫使用的并不是同一個堆疊幀,因此即便是在func3中對c賦值了54321,也不會影響在其堆疊幀之上的func4的堆疊幀對應位置的值d,因此c和d的初始值均保持為0,

那么,初始化一個區域變數和不初始化一個區域變數,在指令層面上,區別在哪里呢?

很簡單,親眼看一下就知道,先看未初始化區域變數的func1:

// int a;

00000000004005ad <func1>:

  4005ad:  55                      push  %rbp

  4005ae:  48 89 e5                mov    %rsp,%rbp

  4005b1:  48 83 ec 10            sub    $0x10,%rsp

  4005b5:  8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax

  4005b8:  89 c6                  mov    %eax,%esi

  4005ba:  bf 90 07 40 00          mov    $0x400790,%edi

  4005bf:  b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax

  4005c4:  e8 b7 fe ff ff          callq  400480 <printf@plt>

  4005c9:  c7 45 fc 39 30 00 00    movl  $0x3039,-0x4(%rbp)

  4005d0:  c9                      leaveq

  4005d1:  c3                      retq

————————————

再看初始化區域變數a為2222的版本:

// int a = 2222;

00000000004005ad <func1>:

  4005ad:  55                      push  %rbp

  4005ae:  48 89 e5                mov    %rsp,%rbp

  4005b1:  48 83 ec 10            sub    $0x10,%rsp

  4005b5:  c7 45 fc 00 00 00 00    movl  $0x0,-0x4(%rbp)

  4005bc:  8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax

  4005bf:  89 c6                  mov    %eax,%esi

  4005c1:  bf 90 07 40 00          mov    $0x400790,%edi

  4005c6:  b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax

  4005cb:  e8 b0 fe ff ff          callq  400480 <printf@plt>

  4005d0:  c7 45 fc 39 30 00 00    movl  $0x3039,-0x4(%rbp)

  4005d7:  c9                      leaveq

  4005d8:  c3                      retq

————————————

僅僅差了一條指令:

4005b5: c7 45 fc 00 00 00 00 movl $0x0,-0x4(%rbp)

————————————

初始化的操作是依靠實實在在的指令完成的,

總結一句:

函式回傳在pop出當前堆疊幀的時候,并不會清理它遺留在堆疊幀里的資料,下個函式呼叫再次重用到該堆疊幀的記憶體時,未初始化的區域變數將會被遺留資料影響,從而變得不確定!

所以,記得初始化你的區域變數,

————————————

看到這里你是不是對編程語言又有了一點新的認知呢~

如果你喜歡這篇文章的話,動動小指,點個贊再走~

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