不同編譯器下自增自減表達(dá)式輸出不同值的研究

陳賢敏 湯海晨 陳治帆

摘要：同一個(gè)C語言的自增、自減表達(dá)式為什么在不同集成系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。使用GCC和Clang兩種不同的編譯器來驗(yàn)證此實(shí)例表達(dá)式的值，并把兩種編譯好的C語言程序反編譯成匯編語言，再來分析代碼，目的是讓大家真正從底層了解為什么相同的表達(dá)式值會產(chǎn)生不同的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：自增自減；GCC；Clang

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0059-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

C語言中的自增自減運(yùn)算符（++和--）簡潔、緊湊、靈活。學(xué)生在做練習(xí)中遇到由自增自減運(yùn)算符組成的復(fù)雜算術(shù)表達(dá)式，如p=（i++） +（i++） +（i++） 時(shí)，在不同的編譯器中可能會得到不同的運(yùn)行結(jié)果[1]，會讓用戶產(chǎn)生茫然疑惑。

國內(nèi)對于C語言中的++、--用例有許多針對性的探討和研究，朱恩亮[2]在《Visual C ++與Turbo C處理自增自減運(yùn)算表達(dá)式的區(qū)別》一文中列舉了在Visual C ++、Turbo C編程語言環(huán)境中，通過操作符的連接，可以構(gòu)造出具有不同復(fù)雜程度的表達(dá)式。分析了i=3，表達(dá)式s1=（++y）+（++y）+（++y）值分別是s1=5+5+6=16和s1=6+6+6=18，產(chǎn)生不同結(jié)果是由于在C語言中操作符存在著優(yōu)先級與結(jié)合性，并構(gòu)造表達(dá)式后，不同語言系統(tǒng)的編譯會產(chǎn)生不同的結(jié)果。

夏超群[3]在《淺析C語言自增自減運(yùn)算符的使用》一文，其例2的語中p=（i++） +（i++） （i++） 從理論上分析該語句中表達(dá)式（i++） +（i++） +（i++） 的值應(yīng)為5+6+7，實(shí)際卻是VC++6.0環(huán)境下運(yùn)算結(jié)果都是5+5+5。文中說明后置自增自減運(yùn)算符的“先用后變”的“變”是指在下一條語句執(zhí)行前統(tǒng)一改變，而不是剛用完就變。故該語句等價(jià)于：p=i+i+i；i=i+1；i=i+1；i=i+1。造成這種結(jié)果是因?yàn)楦呒壵Z言的一條語句經(jīng)編譯解釋成若干條機(jī)器指令，這若干條機(jī)器指令的順序最終決定該等價(jià)高級語言語句的執(zhí)行結(jié)果。

為什么編譯系統(tǒng)會產(chǎn)生這兩種結(jié)果，以上作者的文中并未從源頭給出答案。因此本文通過把C程序代碼編譯后轉(zhuǎn)換成匯編語言并分析代碼的執(zhí)行順序，真正從底層了解不同的編譯器為什么會產(chǎn)生不同的結(jié)果。

1 C語言實(shí)例

#include <stdio.h>

int main（） {

int accumulate，i=5;

accumulate=（++y）+（++y）+（++y）;

printf（"accumulate=%d，i=%d"，accumulate，y）;

return 0;

}

大家看到此實(shí)例中的表達(dá)式accumulate=（++y）+（++y）+（++y），第一反應(yīng)給出的答案為6+7+8，結(jié)果值為21，y的值為8，那是否正確呢？其實(shí)還可以給出第二種答案accumulate的值為22，y的值為8。

此實(shí)例C語言中的表達(dá)式accumulate=（++y）+（++y）+（++y）的背后運(yùn)算到底是怎樣的一個(gè)過程，為什么此實(shí)例程序中的變量y等于5，最終程序運(yùn)行會產(chǎn)生兩種不同的結(jié)果，分別是22和21。下面通過GCC編譯器模式和Clang編譯器模式驗(yàn)證此實(shí)例在不同的編譯器得出的結(jié)果值是不一樣的。

1.1 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)環(huán)境操作系統(tǒng)是CentOS Linux，GCC編譯器模式，值為accumulate=22，y=8。通過GCC反編譯實(shí)例后如圖1，為了便于理解，圖2根據(jù)圖1一一對應(yīng)寫成C語言格式，使讀者更好地理解匯編語句。

可以看出，表達(dá)式accumulate=（++y）+（++y）+（++y），語句（1） 先把[rbp-4]當(dāng)成i變量，理解成把5賦給[rbp-4]變量，add DWORD PTR [rbp-4]，1；語句（2） 相當(dāng)于表達(dá)式中的第一項(xiàng)（++y） ，加1執(zhí)行后[rbp-4]變量值6，i變量自然也是6了，執(zhí)行語句（3） 匯編語句，相當(dāng)于表達(dá)式中的第二項(xiàng)（++y） ，在原來[rbp-4]的基礎(chǔ)上又加1，得[rbp-4]值為7，自然i的值為7。語句（4） 簡單點(diǎn)說，就是把7賦給eax。難道繼續(xù)加1是i的值被替換成8嗎？顯然不是，語句（5） lea edx，[rax+rax] ，理解為edx=7+7=14此時(shí)才明白為什么在C語言中前兩項(xiàng) （++y）+（++y）相加，也就是accumulate=7+7+（++y）。到這里讀者有點(diǎn)不理解了，這個(gè)rax為什么等于7。簡單解釋一下，32位和64位寄存器不是分開的寄存器，它們是重疊的：64位的rax，具有eax作為其底部的32位。因此，對32位寄存器的修改會反映在相應(yīng)的64位寄存器中，反之亦然。繼續(xù)看語句（6） 中[rbp-4]是多少呢，它在執(zhí)行語句（3） 后值沒有改變過，依舊是7，因此執(zhí)行（6） add DWORD PTR [rbp-4]，1。相當(dāng)于表達(dá)式中的第三項(xiàng)（++y） ，[rbp-4]值為8，語句（7） [rbp-4]賦給了eax，eax值為8。繼續(xù)執(zhí)行語句（8） add eax，edx ，可以把該語句轉(zhuǎn)換成熟悉的語句eax=eax+edx，已知文中語句（5） 已得出edx=14，因此可得出eax=eax+edx=8+14=22，如圖3所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)2

分析完了GCC編譯器模式，現(xiàn)以值為accumulate=21，y=8，按照同樣的方式分解一下由Clang編譯器模式編譯的程序，就會發(fā)現(xiàn)情況有所不同。

通過圖4、圖5可以看出，表達(dá)式accumulate=（++y）+（++y）+（++y），先通過語句（1） 、（2） ，把5賦給eax，語句（3） 累加1后把值賦給eax寄存器，eax值為6，相當(dāng)于表達(dá)式第一項(xiàng)（++y）的值，注意先把第一項(xiàng)值6保留在eax寄存器，通過語句（4） 、（5） 把eax值為6賦給ecx，執(zhí)行語句（6） ecx累加1后，值為7，相當(dāng)于表達(dá)式第二項(xiàng)（++y），把第二項(xiàng)值也是獨(dú)立保存在ecx寄存器中。語句（8） eax=eax+ecx，得eax=6+7=13，從語句（9） 、（10） 可得出表達(dá)式第三項(xiàng)（++y）值為ecx=7+1=8，語句（12） 的結(jié)果為eax=eax+ecx=13+8=21，如圖6所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)在才明白實(shí)驗(yàn)1中編譯器前兩項(xiàng)自增后，GCC編譯是前兩次y，（++y）+（++y）+（++y），原因是首先掃描求解前半部分，即（++y）+（++y）的值，先對y變量進(jìn)行兩次自增運(yùn)算，y的值變?yōu)?，再計(jì)算y+y的值為7+7＝14，然后再求解后半部分，即14+（++y）的值，先對變量y自增1次，y的值變?yōu)?，再計(jì)算14+8＝22，因此最終accumulate的值為22，y的值為8。

實(shí)驗(yàn)2中，用Clang編譯器，再反編譯為匯編語言。通過匯編語言可以看出，前兩項(xiàng)y的值都分別獨(dú)立賦給不同的寄存器eax和ecx，因此前兩項(xiàng)（++y） 中的y就不會累加后再賦給相同的寄存器。而實(shí)驗(yàn)1中（2） 、（3） 中兩條語句是對y進(jìn)行累加后賦給，由原來的初值5變化7后，再賦給寄存器eax。

文中的實(shí)例accumulate=（++y）+（++y）+（++y）只是來證明這樣的式子在不同的編譯系統(tǒng)中會產(chǎn)生不同的值，因此在實(shí)際的工作生產(chǎn)和教學(xué)中不建議這樣來使用。任何類似（y++）+（y++）、（++j）+（++j）這樣的表達(dá)式，都屬于未定義行為。可以這么說，在C語言標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定這樣的表達(dá)式應(yīng)該如何計(jì)算，完全由編譯器自行決定，說到底編譯器也是由程序員來開發(fā)出來，當(dāng)然不同的人有不同的邏輯理解，這樣也就導(dǎo)致不同的集成開發(fā)環(huán)境編譯器下自增和自減處理邏輯的不同。也進(jìn)一步說明，由于自增自減表達(dá)式結(jié)果的不確定性，也就不具有可移植性，是十分不友好的表達(dá)式。

通過以上實(shí)例驗(yàn)證，相同的表達(dá)式運(yùn)行結(jié)果得出的值不一樣是由不同集成開發(fā)環(huán)境中的不同編譯器編譯造成的。實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2論證了使用GCC、Clang兩種不同的編譯器對同一段C語言源代碼進(jìn)行編譯，得到了不同的值，它們按照各自思路轉(zhuǎn)化為了匯編代碼，通過對匯編語言的分析，最終找到了相同源代碼在不同的集成開發(fā)環(huán)境下結(jié)果是不一致的，這也是寫本篇論文的目的和任務(wù)。也通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Clang的編譯器更能符合正常人的思維邏輯，在今后的學(xué)習(xí)工作中更推薦使用Clang編譯器的開發(fā)環(huán)境。

3 結(jié)束語

C語言中自增運(yùn)算符為“++”，其作用是使變量的值增1；自減運(yùn)算符為“--”，其作用是使變量的值減1[4]。當(dāng)初制定這兩個(gè)C語言運(yùn)算符是為了方便程序使用，但在使用y++、--y不恰當(dāng)時(shí)會造成混淆，給剛?cè)腴T學(xué)習(xí)C語言的人員帶來混亂。

當(dāng)然，像文中的實(shí)例代碼移植性差，需要大家盡量避免，分析這樣的運(yùn)算順序也沒有任何意義。建議大家盡量不要去研究這樣的表達(dá)式，也更不要在實(shí)際編程中寫出這樣的表達(dá)式。所以，在編寫程序時(shí)，有選擇地小心謹(jǐn)慎使用自增（自減）運(yùn)算符來簡化程序，在一些容易出錯(cuò)的地方可以用其他方法代替，從而保證程序的執(zhí)行萬無一失[5]。當(dāng)然在實(shí)際項(xiàng)目中，考慮到項(xiàng)目遷移等問題，建議不要使用連續(xù)自增、自減進(jìn)行運(yùn)算，這種邏輯問題在項(xiàng)目維護(hù)過程中很難被發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁玲.在DEV C++環(huán)境下C語言自加自減運(yùn)算符使用分析[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（27）：248-249.

[2] 朱恩亮.Visual C+ +與Turbo C處理自增自減運(yùn)算表達(dá)式的區(qū)別[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，16（3）：27-28，31.

[3] 夏超群.淺析C語言自增自減運(yùn)算符的使用[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，22（3）：47-49.

[4] 周亮.淺談C語言中自增自減運(yùn)算符的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（17）：4714-4715.

[5] 唐婷，呂浩音.C語言自增（自減）運(yùn)算符運(yùn)算規(guī)律的探討[J].隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，27（5）：8-11.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】