病例：不了解局部變量超出作用域之後的行為

病人：醫生，局部變量超出作用域之後會發生什麼事？我為此頭疼了很久。 中醫：哦，它們不能被通路了，消亡了。你的病不會這麼簡單吧，到底什麼問題，較長的描述一下。 病人：我想知道的是，指針所指的局部變量，超出作用域之後，那個指針的行為。比如這段程式 #include "stdio.h" int main(int argc, char* argv[]) { int i=10; int *piToTest=&i; printf("%d/n",*piToTest); { int iGone=20; piToTest=&iGone; // <---咔咔 } printf("%d/n",*piToTest); // <---啊啊 return 0; } Figure 1. 運作結果是打出“20”，正是*piToTest生前的值，難道iGone其實沒有消亡，永遠活在我們心中？ 中醫：嗯，你要這麼說的話，iGone“生前”究竟活在什麼地方呢？用術語來說，其storage在何處？ 病人：哦哦，不知道。 中醫：這就對了，你的問題的本質正是局部變量的storage問題，是以你會頭疼。現在這個問題先擱置一下，你也不知道函數傳遞參數的機制對麼？ 病人：對。 中醫：我們得從這裡着手。每次函數調用，都要有一塊記憶體存放其參數(不妨假設所有函數都有一些參數)， 而編譯時刻無從知道某個函數究竟會被(遞歸)調用幾次，要為他留多少份參數的空間，對不對？ 病人：。。。 對，即使是有一個main函數，也不妨礙他調用自己n次m層。放參數的地方，必定是一個很“動态”的地方。 中醫：這個很動态的地方，術語叫堆棧(簡稱“棧”)。其運作機制和資料結構中的堆棧一樣，都是先進後出所有操作都在棧頂發生，不過這裡的堆棧是由CPU和OS來實作的。 函數調用的時候，①把其參數push進堆棧，②把傳回位址push進堆棧，③跳轉到函數入口位址。 void func1(int a,int b); ... func1(10,20); ... ┌--------------------┐ │傳回位址 │ ├--------------------┤ │左面的參數 -- 10 │ ├--------------------┤ │最右面的參數 -- 20 │ ├--------------------┤ │之前的堆棧 │ Figure 2. 進入func1時刻的堆棧情況（假定堆棧向上生長） 參數自右向左入棧，最後是傳回位址 現在，你說說函數傳回的時候，應該發生什麼事。 病人：我猜是調用的逆序列吧。（１）取得傳回位址跳轉回去，（２）堆棧恢複成“之前的堆棧” 中醫：很好，請記住（１）是callee做的事，而（２）是caller的責任。看完病之後，你再想一下printf之類不定個數參數函數的機制來了解這樣做的必要性。不過現在,我們得整理一下函數調用的過程。 ①caller 把其參數push進堆棧 ②caller 把傳回位址push進堆棧 ③跳轉到函數入口位址。 ④callee的函數體被執行 ⑤callee取得傳回位址跳轉回去 ⑥caller把堆棧恢複成“之前的堆棧” Figure 3. 函數調用的過程 病人：嗯，這些我了解了。這和我的病根“局部變量的storage問題”之間的關系是--？ 中醫：真的了解了麼？這裡面還隐含了一個前提，callee必定可以取得傳回位址。 病人：這還用推，不就在棧頂麼？ 中醫：嘿嘿，你這句話也隐含了一個前提，函數體内，除了調用函數這樣的“堆棧平衡的操作”，堆棧不生長，不然傳回位址不會在棧頂讓你唾手可得。 病人：難道不是? 。。。 啊！ 莫非函數體内把局部變量給放進了堆棧？局部變量的作用域和函數的參數非常接近，他的storage也應該是堆棧吧！ 中醫：能悟出這點，強。我們來把圖3中的函數體再細化一下。 ④.1 把局部變量放進堆棧(函數内有多少局部變量編譯器很清楚) ④.2 函數代碼 ④.3 把堆棧恢複成“進入函數時的堆棧”(姑且認為是.1的逆操作) Figure 4. 函數體細化 ┌--------------------┐ │ │ │各局部變量 │ │ │ ├--------------------┤ │傳回位址 │ ├--------------------┤ │左面的參數 -- 10 │ ├--------------------┤ │最右面的參數 -- 20 │ ├--------------------┤ │之前的堆棧 │ Figure 5. 局部變量給放進了堆棧(函數内有多少局部變量編譯器很清楚) 這樣，傳回時的确可以在棧頂取到傳回位址。順便，你說說函數代碼中如何定位某個具體參數？ 病人：這下總可以根據棧頂了吧！編譯器為每一個局部變量定下一個該函數内棧頂的偏移量， 函數代碼中就根據當時的棧頂和那個偏移量來确定每個變量。 等等！ 我的病，我想想。。。 ┌--------------------┐ │iGone=20 │ │piToTest │ │i=10 │ ├--------------------┤ │傳回位址 │ ├--------------------┤ │左面的參數 -- 10 │ ├--------------------┤ │最右面的參數 -- 20 │ ├--------------------┤ │之前的堆棧 │ Figure 6. 運作到“咔咔”時，堆棧的概貌。 由于C++編譯器，隻對類和結構産生析構函數， 在簡單類型變量消亡時不對它們做清理操作(如果一個int也要配上析構函數，那C++還能有效率麼)， 是以iGone消亡後，他的空間還在那裡，又沒有人去用那個堆棧位置， 那麼“啊啊”處打出iGone的前身也就不奇怪了。 中醫：推理正确！ 病人：看來這病看似輕微，其實根子很深哩！ 中醫：現在好了麼？ 病人：大部分好了，如果你帶我看看編譯器産生的彙編碼就全好了。 中醫：嘿嘿，否決。 第一，看彙編碼有點西醫化，我們中醫講究推理(玩笑＾＾)； 第二，我們研究的是C++,不是特定CPU特定OS下，特定編譯器的行為； 第三，由于try...catch，棧中動态配置設定記憶體這些東西的存在， 真正的函數調用中，堆棧結構比圖5複雜，确定每個變量的确靠偏移量，但不是到棧頂的偏移量。 是以，你現在看彙編碼，容易把自己搞混。今天先到這裡，能了解這些，以後的也快了。 病人：啊！！！ 還沒有到底，我的頭比剛才更疼了，你這是治病還是傳病？啊... 中醫：你不是也想當中醫麼？ 病人：那是。 中醫：久病成醫。