C中相同堆栈帧对象的内存分配

Question

两个小时前，我以为我已经完全理解了堆栈的工作原理（至少在 C 中是如何处理的）。但我开始注意到我的程序中有一些（对我而言）意想不到的行为。

我们知道堆栈向着较低的内存地址增长（我说的是 PC，在我的例子中：Intel 64 位，Ubuntu）。因此，当创建一个新的堆栈帧时，属于该帧的对象的内存地址低于之前的所有对象。令我惊讶的是：一个框架内的对象在声明的时间越晚，内存地址越高。这让我很震惊，因为我认为之前声明的变量获得了更高的内存地址。

让我用一个 C 语言的例子来说明我的意思。

#include <stdio.h>

void foo()
{
    int firstVar = 1;
    int secondVar = 2;
    printf("firstVar is at: %p\n", &firstVar);
    printf("secondVar is at: %p\n", &secondVar);
}

int main(void)
{
    int mainVar = 0;
    printf("mainVar is at: %p\n", &mainVar);
    foo();
    return 0;
}

使用 gcc（-g、-ansi 和 -pedantic 标志）编译后，输出为：

mainVar is at: 0x7ffd1ec0fadc
firstVar is at: 0x7ffd1ec0fab8
secondVar is at: 0x7ffd1ec0fabc

正如预期的那样，mainVar 的内存地址比 foo() 堆栈帧中的内存地址高。然而，firstVar 的内存地址比 secondVar 低，即使它之前已声明过。查看 foo() 的反汇编显示了这种行为：

0x000000000040052d <+0>:    push   %rbp
0x000000000040052e <+1>:    mov    %rsp,%rbp
0x0000000000400531 <+4>:    sub    $0x10,%rsp
0x0000000000400535 <+8>:    movl   $0x1,-0x8(%rbp)
0x000000000040053c <+15>:   movl   $0x2,-0x4(%rbp)
...

1 放在 2 之前的四个字节，再次表明 firstVar 的内存地址低于 secondVar。

我的问题是：为什么会这样？根据我读过的所有参考书目，同一个堆栈帧中的对象应该越早声明它们的内存地址越高。参考书目是指互联网（例如这个网站）和著名的书籍。我使用的是一个非常标准的系统，所以我怀疑任何 ELF 或 ABI 奇怪的事情正在发生......

有什么想法吗？感谢您的阅读。

Answer 1

根据我读过的所有参考书目，同一堆栈帧中的对象应该越早声明它们的内存地址越高

局部变量在堆栈上的放置顺序绝不是标准化的，堆栈帧本身的格式也不是。编译器可以随意分配局部变量，因为它不会影响函数之外的任何内容。 除非变量返回给调用者，但这里不是这样。

一个观察：

gcc 没有优化：

mainVar is at:   000000000022FE4C
firstVar is at:  000000000022FE0C
secondVar is at: 000000000022FE08

gcc -O3 全面优化：

mainVar is at:   000000000022FE4C
firstVar is at:  000000000022FE08
secondVar is at: 000000000022FE0C

无论出于何种原因，优化器都认为更改这两个变量的分配顺序会有所帮助。要知道为什么，您必须详细研究特定编译器的优化器。而且是比较有用的知识。

您在这里看不到的是，优化器可能会喜欢将这些变量放在 CPU 寄存器中。但是没有办法，因为您正在打印它们的地址，而寄存器变量没有地址。通过使用变量的地址，您将强制它在堆栈上分配。

所以这里唯一要学习的是，您不应该编写依赖于堆栈帧的内存布局的代码，也不应该对 C 标准不保证的内存布局做出任何假设。

如果你需要一个特定的顺序，你需要向编译器展示 C 标准：

typedef struct
{
  int firstVar;
  int secondVar;
} reorder_this_if_you_can;

void foo()
{
    reorder_this_if_you_can re;

    printf("firstVar is at:\t %p\n", &re.firstVar);
    printf("secondVar is at: %p\n", &re.secondVar);
}

现在无论优化程度如何，订单都会突然得到保证。

Answer 2

您使用的是哪个编译器？编译器是非常复杂的程序。另外，他们比你更了解 C ;-)（在我的情况下这是一件好事！） 在任何情况下，他们都没有义务遵循您的陈述顺序。你的编译设置是什么？您是否针对速度或尺寸进行了优化？我假设没有？

可能发生的情况是，由于您首先使用firstVar（在printf 函数中，编译器决定将secondVar 定位在firstVar 之上。firstVar 的堆栈内存（之前再次变为空闲）如果需要，secondVar) 的堆栈内存可以更快、更轻松地重用。

如果交换函数foo 中的前两行会发生什么？