变量初始化

Question

在下面的代码中，变量x，y，z是在运行时在分配内存时还是在编译时初始化的？

int main(void)
{
    int x = 5;
    static int y=5;
    int z[] ={1,2,3,4};
    return 0;
}

Answer 1

如注释所述，即使您在注释中给出的信息表明它们在函数范围内，也未定义变量是否在运行时初始化。 只有行为类似于虚拟机一次或另一次进行初始化。

但是，可以确保它们没有在编译时初始化。
是否由标准指定，没有任何真正的机器可以做到。
（如果有人想出这是怎么可能的示例，我将很高兴地编辑我的答案并删除此语句。软件仿真器和任何非基于编译器的内容（例如C解释器）都不会计算在内。）
在编译时，只能确定将用于初始化这些变量的值。 对于您的示例中的情况，确实会进行值确定，因为除了程序文本中的数字外，其他任何地方都无法获得该值。

初始化（即，由标识符表示的存储块中的那些值的“ arrrival”）可以在不同的时间发生，但永远不会在编译时发生。 因为在编译时尚未选择这种存储块。 在交叉编译的情况下，它甚至可能不存在（尚未生产运行该芯片的芯片）。

以下初始化时间是可能的
（而不是对所有人说“通常完成” ...）：

• 运行
  函数的局部范围内的非静态变量所必需的，该函数在第二次执行并在第一次运行中更改了非静态变量
• 加载时间 （在动态执行上下文的情况下，例如Windows PC等）或
  内存建立时间 （在静态执行上下文的情况下，例如嵌入式就地执行环境）
  对于全局变量，静态局部变量，非静态const局部变量（可能，但对于使用概念的堆栈来说不太可能），碰巧永远不变的非静态非const局部变量（对于堆栈也是如此）
• 决不
  对于完全被优化而不会被使用的任何事物
• 口译时间
  从Antti Haapala获得有效输入，可以解释C
  （但是，这仍然不是编译时间，至少如果您允许我在此处有所作为并考虑编译器对此问题的适用范围；-)

对于您的示例，在main()范围内，这两个选项都可能适用。
同样，这是未知的。

笔记：

我在这里将加载时间与内存设置时间区分开来，因为内存设置时间通常与加电或复位情况相关联，这有些例外，而加载要执行的程序被视为正常情况。
但是，从正在执行的C程序的角度来看，两者都可以视为同一事物，就像“在main()之前”一样。

我还在运行时（由您编写的C代码定义的程序控制）和加载/设置时间（这是C运行时环境准备代码的一部分）之间有所不同。 可以通过OS或（例如，对于嵌入式环境）通过从复位向量链接的机器代码（不基于C）来准备C运行时。

Answer 2

这个问题没有明确的答案。 初始化是C标准用来描述程序必须如何表现的抽象机器中发生的事情，而实现该机器的唯一要求是必须产生该标准所描述的可观察的行为 。 对象的初始值可以在编译时生成（即使计算该初始值需要复杂的计算），也可以在运行时生成（即使初始值是一个简单的常量），也可以根本不生成（只要可观察到的行为）该程序的生成是以某种方式生成的）。 此外，初始值可能出现在编码为指令的立即值中，在目标文件描述的存储器中，在程序启动期间写入时的存储器中，在执行功能时写入的存储器中，在寄存器中或其他地方。 一个对象可能在不同的时间保存在不同的位置，并且可能与其他对象或其自身的其他实例共享存储（例如，当函数以递归方式执行时），甚至同时。

一个更有用的问题是：各种对象初始化的成本和效果是什么？ 同样，这不是C标准定义的，但是会带来实际的后果。 许多对象或大型对象的初始化会显着降低性能，并可能影响产品质量。

该答案的其余部分假定一个正在使用质量良好的编译器并正在请求优化（例如使用Clang或GCC的-O3或-Os开关）。

如果根本需要，则在块范围内进行诸如int x = 5类的声明可能会导致将5硬编码为一条指令。 可能不需要初始值，因为编译器会优化x进一步工作，以便将初始值合并到使用x的第一个表达式中。 （在问题所示的代码中，根本不需要使用x ，因为它从未使用过，因此编译器会将其从程序中完全删除。）

诸如static int y = 5类的声明很可能会导致将5写入目标文件中的数据部分（并且，当链接目标文件以生成可执行文件时，该数据部分将被复制或合并到目标文件中。可执行文件）。 同样，这可以进行优化。

如果在文件作用域声明了int x = 5 ，则它是一个外部定义，并且编译器必须使其可用于其他转换单元（其他源文件的编译），因此必须将其存储在内存中（除非编译器和其他）开发人员工具能够跨翻译部门进行优化）。 在这种情况下，编译器可能会将5写入目标文件的数据部分。

对于小型对象和诸如此类的简单初始值，几乎没有任何理由要考虑何时或如何对其进行初始化，因为成本是如此之低，而且没有可用的改进方法。

用int z[] = { 1, 2, 3, 4 }; 在块范围内，该数组足够小，以便编译器可以根据情况以与上述单个int x相同的方式处理它。 在数组较大的情况下，可以处理以下情况：

• 值1、2、3和4将写入目标文件中的常量数据段。

• 当执行有效到达声明时，编译器将为z分配存储空间（可能在堆栈上），并将数据从常量数据段复制到z 。 （很难说执行何时到达声明，因为抽象的机器模型意味着C实现可以自由地重新安排许多事情。声明之前和之后的语句执行可以重新安排并混合在一起。）

但是，假设您有如下代码：

int z[] = { 1, 2, 3, 4 };

for (int i = 0; i < 4; ++i)
    z[i] = f(z[i]);

在这种情况下，编译器可以看到z的初始值传递给f之前， z任何成员都没有更改。 在实现此功能时，编译器可能会跳过将1、2、3和4复制到为z分配的存储中的上述步骤。 相反，它可以通过从常量数据中读取，将每个值传递给f并将结果写入分配给z的存储区来实现循环。 在这种情况下， z是否曾经初始化过？ 该程序将初始值存储在常量数据部分中，但从未将它们写入特别为z分配的存储中。 它仅在以后写入派生值。

但是，真正的问题是，这样做的代价是什么？ 我们必须将数据存储在常量数据部分中，并且必须重复调用f 。 假设z具有数千个元素，而不是四个。 我们可以减少这些费用吗？

如果f是纯函数（仅取决于其参数，而不取决于任何全局状态），则存储1、2、3和4没有意义。我们应该存储f(1) ， f(2) ， f(3)和f(4)并在运行时跳过f的执行。 如果您有一个好的编译器，并且在编译该代码时可以看到f的源代码，则编译器可以这样做-它可以存储调用f的结果，而不仅仅是存储显式的初始值。 （即使f不可见，编译器也可能针对已知功能（例如cos或log ）执行此操作。）

如果您正在从事一个对此很重要的项目，则应该了解您的编译器及其在这种情况下的性能。 没有统一的答案，尤其是随着技术的不断发展。

如果这样的初始化对您的应用程序很重要，则可以选择编写一个程序来计算初始值（ f(1) ， f(2)等）并将其写入新的源文件中。 在编译时，您将执行该程序，然后编译生成的源代码。

在C语言中，初始化成本通常不会成为问题，除非您如上所述可以使用辅助程序对大量数据进行预处理。 在C ++中，类的构造函数可能非常广泛，这是一个更大的问题。

Answer 3

编译器的工作是按照所告诉的去做。 您已将其发布给程序

int main(void)
{
    int x = 5;
    static int y=5;
    int z[] ={1,2,3,4};
    return 0;
}

C标准允许编译器产生完全复制程序可观察行为的已编译代码。

为此，任何优化程度最高的体面的C编译器都将产生与

int main()
{
}

如果您想知道特定的编译器如何处理源代码，请检查生成的输出。