C语言变长数组之剖析

 

1、引言

我们知道，与C++等现代编程语言不同，传统上的C语言是不支持变长数组功能的，也就是说数组的长度是在编译期就确定下来的，不能在运行期改变。不过，在C99标准中，新增的一项功能就是允许在C语言中使用变长数组。然而，C99定义的这种变长数组的使用是有限制的，不能像在C++等语言中一样自由使用。

2、说明

参考文献^[1]中对变长数组的说明如下：

C99 gives C programmers the ability to use variable length arrays, which are arrays whose sizes are not known until run time. A variable length array declaration is like a fixed array declaration except that the array size is specified by a non-constant expression. When the declaration is encountered, the size expression is evaluated and the array is created with the indicated length, which must be a positive integer. Once created, variable length array cannot change in length. Elements in the array can be accessed up to the allocated length; accessing elements beyond that length results in undefined behavior. There is no check required for such out-of-range accesses. The array is destroyed when the block containing the declaration completes. Each time the block is started, a new array is allocated.

以上就是对变长数组的说明，此外，在文献^[1]中作者还说明，变长数组有以下限制：

1、变长数组必须在程序块的范围内定义，不能在文件范围内定义变长数组；

2、变长数组不能用static或者extern修饰；

3、变长数组不能作为结构体或者联合的成员，只能以独立的数组形式存在；

4、变长数组的作用域为块的范围，对应地，变长数组的生存时间为当函数执行流退出变长数组所在块的时候；

上述限制是最常见的一些限制因素，此外，当通过typedef定义变长数组类型时，如何确定变长数组的长度，以及当变长数组作为函数参数时如何处理，作者也做了一一说明。详细的细节情况请参阅文献[1]。由于变长数组的长度在程序编译时未知，因此变长数组的内存空间实际上是在栈中分配的。

gcc虽然被认为是最遵守C语言标准的编译器之一，但是它并不是严格按照ISO C标准规定的方式来实现的。gcc的实现方式采取了这样的策略：最大限度地遵守标准的规定，同时从实用的角度做自己的扩展。当然，gcc提供了编译选项给使用者以决定是否使用这些扩展功能。gcc的功能扩展分为两种，一种是gnu自己定义的语言扩展；另外一种扩展是在C89模式中引入由C99标准定义的C语言特性。在参考文献^[2]中，有关gcc的C语言扩展占据了将近120页的篇幅，扩展的语言功能多达几十个，由此可看出gcc的灵活程度。

在参考文献^[2]中，对变长数组的描述如下：

Variable-length automatic arrays are allowed in ISO C99, and as an extension GCC accepts them in C89 mode and in C++. (However, GCC’s implementation of variable-length arrays does not yet conform in detail to the ISO C99 standard.) These arrays are declared like any other automatic arrays, but with a length that is not a constant expression. The storage is allocated at the point of declaration and deallocated when the brace-level is exited.

以上这段话并没有详细的说明gcc的变长数组实现和ISO C99的差异究竟体现在什么地方，但是从描述来看，基本上和文献^[1]中的描述是一致的。文献^[2]中没有说明而在文献^[1]中给予了说明的几点是：变长数组是否能用static或者extern修饰；能否作为复合类型的成员；能否在文件域起作用。

 

 

另外，在文献^[2]中提到，采用alloca()函数可以获得和变长数组相同的效果。在作者所用的Red Hat 9.0（Linux 2.4.20-8）上，这个函数被定义为一个库函数：

 

 

#include <alloca.h>

 

 

void *alloca(size_t size);

 

 

这个函数在调用它的函数的栈空间中分配一个size字节大小的空间，当调用alloca()的函数返回或退出的时候，alloca()在栈中分配的空间被自动释放。当alloca()函数执行成功时，它将返回一个指向所分配的栈空间的起始地址的指针；然而，非常特别的一点是，当alloca()函数执行失败时，它不会像常见的库函数那样返回一个NULL指针，之所以会出现这样的状况，是由于alloca()函数中的栈调整通常是通过一条汇编指令来完成的，而这样一条汇编指令是无法判断是否发生溢出或者是否分配失败的。alloca()函数通常被实现为内联函数，因此它是与特定机器以及特定编译器相关联的，可移植性因此而大打折扣，实际上是不推荐使用的。

 

 

作者之所以会关注变长数组的问题是出于一次偶然的因素，在调试的时候发现gdb给出的变长数组的类型很怪异，由此引发作者对gcc中的变长数组进行了测试。本文中给出的就是对测试结果的说明和分析。

 

 

3、实例

第一个测试所用的源代码很简单，如下所示：

 1 int

2 main(int argc, char *argv[])

3 {

4 int i, n;

5

6 n = atoi(argv[1]);

7 char arr[n+1];

8 bzero(arr, (n+1) * sizeof(char));

9 for (i = 0; i < n; i++) {

10 arr[i] = (char)('A' + i);

11 }

12 arr[n] = '';

13 printf("%sn", arr);

14

15 return (0);

16 }

上述程序名为dynarray.c，其工作是把参数argv[1]的值n加上1作为变长数组arr的长度，变长数组arr的类型为char。然后向数组中写入一些字符，并将写入的字符串输出。

像下面这样编译这个程序：

[root@cyc test]# gcc -g -o dynarray dynarray.c

 

 

然后，用gdb观察dynarray的执行情况：

[root@cyc test]# gdb dynarray

 

 

(gdb) break main

 

 

Breakpoint 1 at 0x80483a3: file dynarray.c, line 6.

(gdb) set args 6

 

 

(gdb) run

 

 

Starting program: /root/source/test/a.out 6

 

 

 

Breakpoint 1, main (argc=2, argv=0xbfffe224) at dynarray.c:6

6 n = atoi(argv[1]);

(gdb) next

 

 

7 char arr[n+1];

(gdb) next

 

 

8 bzero(arr, (n+1) * sizeof(char));

(gdb) print/x arr

 

 

$2 = {0xb0, 0xe5}

(gdb) ptype arr

 

 

type = char [2]

(gdb) print &arr

 

 

$3 = (char (*)[2]) 0xbfffe1c8

这里，当程序执行流通过了为变长数组分配空间的第7行之后，用print/x命令打印出arr的值，结果居然是两个字节；而如果尝试用ptype打印出arr的类型，得到的结果居然是arr是一个长度为2的字符数组。很明显，在本例中，因为提供给main()函数的参数argv[1]是6，因此按常理可知arr应该是一个长度为7的字符数组，但很遗憾，gdb给出的却并不是这样的结果。用print &arr打印出arr的地址为0xbfffe1c8。继续上面的调试过程：

(gdb) x/4x &arr

 

 

0xbfffe5c8: 0xbfffe5b0 0xbfffe5c0 0x00000006 0x40015360

(gdb) x/8x $esp

 

 

0xbfffe5b0: 0xbffffad8 0x42130a14 0xbfffe5c8 0x0804828d

0xbfffe5c0: 0x42130a14 0x4000c660 0xbfffe5b0 0xbfffe5c0

可以看到，在&arr（即地址0xbfffe5c8）处的第一个32位值是0xbfffe5b0，而通过x/8x $esp可以发现，栈顶指针esp恰好就指向的是0xbfffe5b0这个位置。于是，可以猜想，如果arr是一个指针的话，那么它指向的就恰好是当前栈顶的指针。继续上面的调试：

(gdb) next

 

 

9 for (i = 0; i < n; i++) {

(gdb) next

 

 

10 arr[i] = (char)('A' + i);

(gdb) next

 

 

9 for (i = 0; i < n; i++) {

(gdb) until

 

 

12 arr[n] = '';

(gdb) next

 

 

13 printf("%sn", arr);

(gdb) x/8x $esp

 

 

0xbfffe5b0: 0x44434241 0x42004645 0xbfffe5c8 0x0804828d

0xbfffe5c0: 0x42130a14 0x4000c660 0xbfffe5b0 0xbfffe5c0

注意上面表示为蓝色的部分，由于Intel平台采用的是小端字节序，因此蓝色的部分实际上就是’ABCDEF’的十六进制表示。而红色的32位字则暗示着arr就是指向栈顶的指针。为了确认我们的这一想法，下面通过修改arr的值来观察程序的执行情况（需要注意的是：每一次运行时堆栈的地址是变化的）：

(gdb) run

 

 

The program being debugged has been started already.

Start it from the beginning? (y or n) y

Starting program: /root/source/test/dynarray 6

 

 

 

Breakpoint 1, main (argc=2, argv=0xbfffde24) at dynarray.c:6

6 n = atoi(argv[1]);

(gdb) next

 

 

7 char arr[n+1];

(gdb) next

 

 

8 bzero(arr, (n+1) * sizeof(char));

(gdb) print/x &arr

 

 

$3 = 0xbfffddc8

(gdb) x/8x $esp

 

 

0xbfffddb0: 0xbffffad8 0x42130a14 0xbfffddc8 0x0804828d

0xbfffddc0: 0x42130a14 0x4000c660 0xbfffddb0 0xbfffddc0

(gdb) set *(unsigned int*)&arr=0xbfffddc0

 

 

(gdb) x/8x $esp

 

 

0xbfffddb0: 0xbffffad8 0x42130a14 0xbfffddc8 0x0804828d

0xbfffddc0: 0x42130a14 0x4000c660 0xbfffddc0 0xbfffddc0

(gdb) next

 

 

9 for (i = 0; i < n; i++) {

(gdb) next

 

 

10 arr[i] = (char)('A' + i);

(gdb) next

 

 

9 for (i = 0; i < n; i++) {

(gdb) until

 

 

12 arr[n] = '';

(gdb) next

 

 

13 printf("%sn", arr);

(gdb) x/8x $esp

 

 

0xbfffddb0: 0xbffffad8 0x42130a14 0xbfffddc8 0x0804828d

0xbfffddc0: 0x44434241 0x40004645 0xbfffddc0 0xbfffddc0

地址0xbfffddc8（也就是arr的地址）处的值本来为0xbfffddb0，我们把它改成了0xbfffddc0，于是，当程序运行到向变长数组输入数据完成之后，我们发现这次修改的地址的确是从0xbfffddc0开始的。这就表明arr的确像我们通常所理解的一样，数组名即指针。只不过这个指针指向的位置在它的下方（堆栈向下生长），而不是像大多数时候一样指向上方的某个位置。

4、分析

上面的测试结果表明：变长数组的确是在栈空间中分配的；变长数组的数组名实际上就是一个地址指针，指向数组所在的栈顶位置；而GDB无法判断出变长数组的数组名实际上是一个地址指针。

GDB为什么无法准确判断出变长数组的类型的原因尚不清楚，但是作者猜测这和变长数组的动态特性有关，由于变长数组是在程序动态执行的过程生成的，GDB无法向对待常规数组一样从目标文件包含的.stabs节中获得长度信息，于是给出了错误的类型信息。

另外，作者对变长数组的作用域进行了测试，测试代码根据上例修改得到，如下所示：

 1 int n;

2 char arr[n+1];

3

4 int

5 main(int argc, char *argv[])

6 {

7 int i;

8

9 n = atoi(argv[1]);

10 bzero(arr, (n+1) * sizeof(char));

11 for (i = 0; i < n; i++) {

12 arr[i] = (char)('A' + i);

13 }

14 arr[n] = '';

15 printf("%sn", arr);

16

17 return (0);

18 }

当如下编译的时候，gcc会提示出错：

[root@cyc test]# gcc -g dynarray.c

 

 

dynarray.c:2: variable-size type declared outside of any function

可见gcc不允许在文件域定义变长数组。

对于gcc中的变长数组能否用static修饰则使用如下代码进行测试：

 1 int

2 main(int argc, char *argv[])

3 {

4 int i, n;

5

6 n = atoi(argv[1]);

7 static char arr[n+1];

8 bzero(arr, (n+1) * sizeof(char));

9 for (i = 0; i < n; i++) {

10 arr[i] = (char)('A' + i);

11 }

12 arr[n] = '';

13 printf("%sn", arr);

14

15 return (0);

16 }

当编译此源文件的时候，gcc给出如下错误提示：

[root@cyc test]# gcc -g dynarray.c

 

 

dynarray.c: In function `main':

dynarray.c:7: storage size of `arr' isn't constant

dynarray.c:7: size of variable `arr' is too large

根据提示，可知当数组用static修饰的时候，不能将其声明为变长数组。至于这里的提示说arr太大，作者猜测可能的原因是这样的：对于整数，gcc在编译期赋予了一个非常大的值，于是导致编译报错，不过这仅仅是猜测而已。

最后需要说明的是，作者是出于对gcc如何实现变长数组的方式感兴趣才进行上面的这些测试的。对于编程者来说，不用做这样的测试，也不需要知道变长数组是位于栈中还是其它地方，只要知道变长数组有上面这样一些限制就行了。另外，本文中有很多地方充斥着作者的推断和猜测。不过这并没有太大的关系，又不是写论文，谁在乎呢？

另外，上面的测试也说明了：尽管文献^[2]没有像文献^[1]中那样仔细说明变长数组的限制条件，但实际上它就是那样工作的。再一次体现出gcc的确很好地遵守了C标准的规定。

参考文献

[1] Samuel P. Harbison III, Guy L. Steele Jr.; C: A Reference Manual Fifth Edition; Prentice Hall, Pearson Education, Inc.; 2002

 

 

[2] Richard M. Stallman and the GCC Developer Community; Using the GNU Compiler Collection; FSF; May 2004