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這篇文章主要介紹“C語言未定義行為分析”,在日常操作中,相信很多人在C語言未定義行為分析問題上存在疑惑,小編查閱了各式資料,整理出簡單好用的操作方法,希望對大家解答”C語言未定義行為分析”的疑惑有所幫助!接下來,請跟著小編一起來學習吧!
他在白板上寫了幾行代碼,并問這個程序會輸出什么?
#include <stdio.h> int main(){ int i = 0; int a[] = {10,20,30}; int r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++]; printf("%d\n", r); return 0; }
看上去相當簡單明了。我解釋了操作符的優(yōu)先順序——后綴操作比乘法先計算、乘法比加法先計算,并且乘法和加法的結(jié)合性都是從左到右,于是我抓出運算符號并開始寫出算式。
int r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++]; // = a[0] + 2 * a[1] + 3 * a[2]; // = 10 + 40 + 90; // = 140
我自鳴得意地寫下答案后,我的同事回應(yīng)了一個簡單的“不”。我想了幾分鐘后,還是被難住了。我不太記得后綴操作符的結(jié)合順序了。此外,我知道那個順 序甚至 不會改變這里的值計算的順序,因為結(jié)合規(guī)則只會應(yīng)用于同級的操作符之間。但我想到了應(yīng)該根據(jù)后綴操作符都從右到左求值的規(guī)則,嘗試算一遍這條算式。看上去 相當簡單明了。
int r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++]; // = a[2] + 2 * a[1] + 3 * a[0]; // = 30 + 40 + 30; // = 100
我的同事再一次回答說,答案仍是錯的。這時候我只好認輸了,問他答案是什么。這段短小的樣例代碼原來是從他寫過的更大的代碼段里刪減出來的。為了驗 證他的問題,他編譯并且運行了那個更大的代碼樣例,但是驚奇地發(fā)現(xiàn)那段代碼沒有按照他預(yù)想的運行。他刪減了不需要的步驟后得到了上面的樣例代碼,用gcc 4.7.3編譯了這段樣例代碼,結(jié)果輸出了令人吃驚的結(jié)果:“60”。
這時我被迷住了。我記得,C語言里,函數(shù)參數(shù)的計算求值順序是未定義的,所以我們以為后綴操作符只是遵照某個隨機的、而非從左至右的順序,計算的。 我們?nèi)匀淮_信后綴比加法和乘法擁有更高的操作優(yōu)先級,所以很快證明我們自己,不存在我們可以計算i++的順序,使得這三個數(shù)組元素一起加起來、乘起來得到 60。
現(xiàn)在我已對此入迷了。我的***個想法是,查看這段代碼的反匯編代碼,然后嘗試查出它實際上發(fā)生了什么。我用調(diào)試符號(debugging symbols)編譯了這段樣例代碼,用了objdump后很快得到了帶注釋的x86_64反匯編代碼。
Disassembly of section .text: 0000000000000000 <main>: #include <stdio.h> int main(){ 0: 55 push %rbp 1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 4: 48 83 ec 20 sub $0x20,%rsp int i = 0; 8: c7 45 e8 00 00 00 00 movl $0x0,-0x18(%rbp) int a[] = {10,20,30}; f: c7 45 f0 0a 00 00 00 movl $0xa,-0x10(%rbp) 16: c7 45 f4 14 00 00 00 movl $0x14,-0xc(%rbp) 1d: c7 45 f8 1e 00 00 00 movl $0x1e,-0x8(%rbp) int r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++]; 24: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 27: 48 98 cltq 29: 8b 54 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%edx 2d: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 30: 48 98 cltq 32: 8b 44 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%eax 36: 01 c0 add %eax,%eax 38: 8d 0c 02 lea (%rdx,%rax,1),%ecx 3b: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 3e: 48 98 cltq 40: 8b 54 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%edx 44: 89 d0 mov %edx,%eax 46: 01 c0 add %eax,%eax 48: 01 d0 add %edx,%eax 4a: 01 c8 add %ecx,%eax 4c: 89 45 ec mov %eax,-0x14(%rbp) 4f: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp) 53: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp) 57: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp) printf("%d\n", r); 5b: 8b 45 ec mov -0x14(%rbp),%eax 5e: 89 c6 mov %eax,%esi 60: bf 00 00 00 00 mov $0x0,%edi 65: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 6a: e8 00 00 00 00 callq 6f <main+0x6f> return 0; 6f: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax } 74: c9 leaveq 75: c3 retq
***和***的幾個指令只建立了堆棧結(jié)構(gòu),初始化變量的值,調(diào)用printf函數(shù),還從main函數(shù)返回。所以我們實際上只需要關(guān)心從0×24到0×57之間的指令。那是令人關(guān)注的行為發(fā)生的地方。讓我們每次查看幾個指令。
24: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 27: 48 98 cltq 29: 8b 54 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%edx
***的三個指令與我們預(yù)期的一致。首先,它把i(0)的值加載到eax寄存器,帶符號擴展到64位,然后加載a[0]到edx寄存器。這里的乘以1的運算(1*)顯然被編譯器優(yōu)化后去除了,但是一切看起來都正常。接下來的幾個指令開始時也大致相同。
2d: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 30: 48 98 cltq 32: 8b 44 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%eax 36: 01 c0 add %eax,%eax 38: 8d 0c 02 lea (%rdx,%rax,1),%ecx
***個mov指令把i的值(仍然是0)加載進eax寄存器,帶符號擴展到64位,然后加載a[0]進eax寄存器。有意思的事情發(fā)生了——我們再次 期待 i++在這三條指令之前已經(jīng)運行過了,但也許***兩條指令會用某種匯編的魔法來得到預(yù)期的結(jié)果(2*a[1])。這兩條指令把eax寄存器的值自加了一 次,實際上執(zhí)行了2*a[0]的操作,然后把結(jié)果加到前面的計算結(jié)果上,并存進ecx寄存器。此時指令已經(jīng)求得了a[0] + 2 * a[0]的值。事情開始看起來有一些奇怪了,然而再一次,也許某個編譯器魔法在發(fā)生。
3b: 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%eax 3e: 48 98 cltq 40: 8b 54 85 f0 mov -0x10(%rbp,%rax,4),%edx 44: 89 d0 mov %edx,%eax
接下來這些指令開始看上去相當熟悉。他們加載i的值(仍然是0),帶符號擴展至64位,加載a[0]到edx寄存器,然后拷貝edx里的值到eax。嗯,好吧,讓我們在多看一些:
46: 01 c0 add %eax,%eax 48: 01 d0 add %edx,%eax 4a: 01 c8 add %ecx,%eax 4c: 89 45 ec mov %eax,-0x14(%rbp)
在這里把a[0]自加了3次,再加上之前的計算結(jié)果,然后存入到變量“r”?,F(xiàn)在不可思議的事情——我們的變量r現(xiàn)在包含了a[0] + 2 * a[0] + 3 * a[0]。足夠肯定的是,那就是程序的輸出:“60”。但是那些后綴操作符上發(fā)生了什么?他們都在***:
4f: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp) 53: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp) 57: 83 45 e8 01 addl $0x1,-0x18(%rbp)
看上去我們編譯版本的代碼完全錯了!為什么后綴操作符被扔到***下、所有任務(wù)已經(jīng)完成之后?隨著我對現(xiàn)實的信仰減少,我決定直接去找本源。不,不是編譯器的源代碼——那只是實現(xiàn)——我抓起了C11語言規(guī)范。
這個問題處在后綴操作符的細節(jié)。在我們的案例中,我們在單個表達式里對數(shù)組下標執(zhí)行了三次后綴自增。當計算后綴操作符時,它返回變量的初始值。把新 的值再分配回變量是一個副作用。結(jié)果是,那個副作用只被定義為只被付諸于各順序點之間。參照標準的5.1.2.3章節(jié),那里定義了順序點的細節(jié)。但在我們 的例子中,我們的表達式展示了未定義行為。它完全取決于編譯器對于 什么時候 給變量分配新值的副作用會執(zhí)行 相對于表達式的其他部分。
到此,關(guān)于“C語言未定義行為分析”的學習就結(jié)束了,希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習,快去試試吧!若想繼續(xù)學習更多相關(guān)知識,請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站,小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>
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