C语言未定义行为分析

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他在白板上写了几行代码，并问这个程序会输出什么？

#include    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; }

看上去相当简单明了。我解释了操作符的优先顺序——后缀操作比乘法先计算、乘法比加法先计算，并且乘法和加法的结合性都是从左到右，于是我抓出运算符号并开始写出算式。

int r = 1 * a[i++] + 2 * a[i++] + 3 * a[i++]; //    =    a[0]    + 2 * a[1]  + 3 * a[2]; //    =     10     +     40    +    90; //    = 140

我自鸣得意地写下答案后，我的同事回应了一个简单的“不”。我想了几分钟后，还是被难住了。我不太记得后缀操作符的结合顺序了。此外，我知道那个顺序甚至不会改变这里的值计算的顺序，因为结合规则只会应用于同级的操作符之间。但我想到了应该根据后缀操作符都从右到左求值的规则，尝试算一遍这条算式。看上去相当简单明了。

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说，答案仍是错的。这时候我只好认输了，问他答案是什么。这段短小的样例代码原来是从他写过的更大的代码段里删减出来的。为了验证他的问题，他编译并且运行了那个更大的代码样例，但是惊奇地发现那段代码没有按照他预想的运行。他删减了不需要的步骤后得到了上面的样例代码，用gcc 4.7.3编译了这段样例代码，结果输出了令人吃惊的结果：“60”。

这时我被迷住了。我记得，C语言里，函数参数的计算求值顺序是未定义的，所以我们以为后缀操作符只是遵照某个随机的、而非从左至右的顺序，计算的。我们仍然确信后缀比加法和乘法拥有更高的操作优先级，所以很快证明我们自己，不存在我们可以计算i++的顺序，使得这三个数组元素一起加起来、乘起来得到 60。

现在我已对此入迷了。我的***个想法是，查看这段代码的反汇编代码，然后尝试查出它实际上发生了什么。我用调试符号（debugging symbols）编译了这段样例代码，用了objdump后很快得到了带注释的x86_64反汇编代码。

Disassembly of section .text:   0000000000000000 : #include    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      return 0;   6f:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax }   74:   c9                      leaveq   75:   c3                      retq

***和***的几个指令只建立了堆栈结构，初始化变量的值，调用printf函数，还从main函数返回。所以我们实际上只需要关心从0×24到0×57之间的指令。那是令人关注的行为发生的地方。让我们每次查看几个指令。

24:   8b 45 e8                mov    -0x18(%rbp),%eax 27:   48 98                   cltq  29:   8b 54 85 f0             mov    -0x10(%rbp,%rax,4),%edx

***的三个指令与我们预期的一致。首先，它把i(0)的值加载到eax寄存器，带符号扩展到64位，然后加载a[0]到edx寄存器。这里的乘以1的运算（1*）显然被编译器优化后去除了，但是一切看起来都正常。接下来的几个指令开始时也大致相同。

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

***个mov指令把i的值（仍然是0）加载进eax寄存器，带符号扩展到64位，然后加载a[0]进eax寄存器。有意思的事情发生了——我们再次期待 i++在这三条指令之前已经运行过了，但也许***两条指令会用某种汇编的魔法来得到预期的结果(2*a[1]）。这两条指令把eax寄存器的值自加了一次，实际上执行了2*a[0]的操作，然后把结果加到前面的计算结果上，并存进ecx寄存器。此时指令已经求得了a[0] + 2 * a[0]的值。事情开始看起来有一些奇怪了，然而再一次，也许某个编译器魔法在发生。

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

接下来这些指令开始看上去相当熟悉。他们加载i的值（仍然是0），带符号扩展至64位，加载a[0]到edx寄存器，然后拷贝edx里的值到eax。嗯，好吧，让我们在多看一些：

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)

在这里把a[0]自加了3次，再加上之前的计算结果，然后存入到变量“r”。现在不可思议的事情——我们的变量r现在包含了a[0] + 2 * a[0] + 3 * a[0]。足够肯定的是，那就是程序的输出：“60”。但是那些后缀操作符上发生了什么？他们都在***：

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)

看上去我们编译版本的代码完全错了！为什么后缀操作符被扔到***下、所有任务已经完成之后？随着我对现实的信仰减少，我决定直接去找本源。不，不是编译器的源代码——那只是实现——我抓起了C11语言规范。

这个问题处在后缀操作符的细节。在我们的案例中，我们在单个表达式里对数组下标执行了三次后缀自增。当计算后缀操作符时，它返回变量的初始值。把新的值再分配回变量是一个副作用。结果是，那个副作用只被定义为只被付诸于各顺序点之间。参照标准的5.1.2.3章节，那里定义了顺序点的细节。但在我们的例子中，我们的表达式展示了未定义行为。它完全取决于编译器对于什么时候给变量分配新值的副作用会执行相对于表达式的其他部分。

到此，关于“C语言未定义行为分析”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！

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