为什么这个简短的程序准确地产生此输出？

Question

我度过了一个缓慢的周末，所以出于兴趣，我今天开始阅读KN King的“ C编程：一种现代方法”一书，并开始进行第二章的练习。 练习之一是：

编写一个程序，声明几个int和float变量-而不初始化它们-然后输出它们的值。

我对此的小解决方案如下，包括输出。 其实这并不是真正的问题，我只是很好奇它为什么会这样做，特别是因为我对底层语言的了解并不多。

我在GitHub上快速寻找了一些其他预制的解决方案，希望可以对其进行评论或其他操作，但是它是如此简单的问题，实际上没有任何问题。 KN King自己的站点建议输出的模式取决于（引用）“许多因素”，但不再赘述。 这反映在我的输出与King的输出不同。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int num1, num2, num3;    
    float flo1, flo2, flo3;

    printf("Our integers are %d, %d, %d\n", num1, num2, num3); 
    printf("Our floats are %g, %g, %g\n", flo1, flo2, flo3);

    return 0;
}   

输出如下：

C:\C\Intro\exercises>a
Our integers are 0, 16, 0
Our floats are 2.8026e-045, 0, 1.73639e-038

再说一次，不是什么大问题，只是很好奇它在做什么，可能是在硬件级别。

Answer 1

严格来说，您的代码具有未定义的行为 ，这意味着它可以做任何想做的事。

实际上，您的变量存在于堆栈中，但没有初始化。 这可能意味着它们在编译器将变量放置到的位置获取堆栈恰好包含的任何值。 这些值很可能是在流程生命周期中较早（即在其启动期间）被调用的例程中遗留下来的。

Answer 2

首先，让我们考虑一个非常简单的编译器如何处理此代码。 当它看到int num1, num2, num3; 在函数内部，可能会在堆栈上为其留出空间。 堆栈通常是编译器如何实现具有自动存储持续时间的对象（特别是在函数内部定义的，不是static或不是线程局部的变量）。 每当调用新函数时，编译器都会编写代码以在堆栈上为其局部变量和其他信息腾出空间。 同样，还为float flo1, flo2, flo3;分配了空间float flo1, flo2, flo3; 。

然后，当编译器看到printf("Our integers are %d, %d, %d\\n", num1, num2, num3); ，它将生成代码以加载num1 ， num2和num3的值，并将它们传递给printf 。 这些值是从为这些对象分配的内存中加载的。 那记忆里有什么？ 很好，此源代码没有为这些对象分配任何值，因此该内存中的数据与main例程启动时存在的数据相同。

那是什么记忆？ 通常，当操作系统为进程提供通用内存时，它会清除内存（将其中的所有字节设置为零），以便它不会透露以前使用该内存的任何程序的任何数据。 那么为什么printf语句不打印零？

main实际上不是程序的开始。 在可以执行main之前，必须先设置C环境。 运行C程序要求初始化您可能调用的库例程使用的任何数据（例如printf ）。 同样，当main例程返回时，它必须要返回一些东西，该东西将采用返回值并将其作为进程退出状态传递给系统。 该代码还负责关闭打开的文件并执行其他一些清理工作。 通常，当您链接C程序时，一个额外的“启动”例程会链接到您的可执行文件中。 操作系统启动程序时，它将首先调用此“启动”例程，然后启动例程将设置C环境，然后调用main 。

因此，当您打印num1 ， num2 ， num3 ， flo1 ， flo2和flo3 ，为它们分配的内存已由“启动”例程使用，并且其中包含“启动”例程碰巧留下的所有数据。

这就是为什么您会看到此源代码打印的各种值的一种解释。

另一方面，让我们考虑一个更复杂的编译器。 一个更复杂的编译器分析代码，可以看到未初始化就使用了变量。 它将向用户发出警告，并且它也知道这违反了C中的各种规则。特别是，当您使用既没有初始化也没有自动存储期限的对象（对于技术/原因）。

为了帮助优化，复杂的编译器提供了处理未定义行为的特殊方法。 例如，如果编译器看到如下代码：

if (some test)
    FunctionA();
else
{
    Some undefined behavior here…
    FunctionB();
}

编译器可以通过“选择”如何定义未定义的行为来对此进行优化。 它可以定义更改程序的行为，就像编写程序一样：

if (some test)
    FunctionA();
else
{
    FunctionA();
}

因为那是未定义行为的有效实例。 然后可以进行优化以简化为：

FunctionA();

有时在代码中会出现这样的情况，因为程序员是在为可移植到各种环境而编写的，并且碰巧some test在特定的编译器中的确不可能是错误的，并且这种优化产生了正确而简单的代码。 类似的情况也可能出现，其中编译器已经以其他方式转换代码，而上面的代码并不是因为它是在源代码中按原样编写的，而是由编译器在其内部转换期间生成的。 例如，对于第一次迭代，一般的中间迭代和最后一次迭代，编译器可能会将循环拆分为单独的代码，并且some test在最后一次迭代中可能始终是正确的，即使在上下文中并非总是如此。程序员写的。

这意味着，当您使用未定义的行为（不仅根据C标准未定义，而且未由C实现定义）时，它可能会以您不希望的方式进行转换。

我使用LLVM和Clang版本测试了此代码，并且编译器通过不为变量分配任何内存并且不从内存加载它们以传递给printf 。 相反，它只是在没有为这些参数做任何准备的情况下调用了printf 。 在我使用的平台中，这些参数在寄存器中传递。 因此，结果是printf打印出那些寄存器中的任何值。 与内存一样，这将是早期软件恰好保留在该内存中的所有数据。