一个有关函数中返回本地指针变量的问题。

Question

我知道函数中的变量使用堆栈空间。当函数退出时，这些空间被释放。这就是为什么我们应该在函数中将指针变量声明为静态变量的原因。然而，我发现下面的代码也可以正常运行。

gcc版本是：gcc version 9.3.0 (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04)

#include <stdio.h>

char *month_name(int n) {
    char *name[] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                    "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

    return n < 1 || n > 12 ? name[0] : name[n];
}

int main() {
    char *month;
    month = month_name(2);
    printf("%s\n", month); // The output is Feb
}

似乎函数中的变量会隐式转换为静态变量。有人能给我解释一下吗？谢谢。

- waltermitty

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char* name[] 不是一个字符串字面量数组吗？这样写（只是有点不规范）/有效吗？生成的汇编代码似乎表明了这一点。但如果是这样，应该使用 const char*。 - Lala5th

你返回的不是数组元素的指针，而是数组元素的值（恰好该元素是一个指针，但这并不重要）。 这基本上是与 int f() { int v[] = {0}; return v[0]; } 相同的情况，你知道这并不是问题。 - molbdnilo

顺便提一下，由于数组从未更改且您不需要多个副本，因此您应该将数组设置为静态和const：static char * const name[] = { … };。指向的数据也可以是const：static const char * const name[] = { … };，如果您更改函数返回类型和调用代码以匹配。 - Eric Postpischil

请勿同时标记C和C++，除非询问两种语言之间的差异或交互。基于使用char *来引用字符串字面量而不是C++中所需的const char *，我已删除了C++标签。 - Eric Postpischil

Answer 1

这里并没有返回本地数据。本地数据是指数组，它包含指向字符串字面量的指针，这些字符串存储在常量只读内存中。它们的位置或生命周期不会改变。因此，返回指向它们的指针是可以的。

然而，如果尝试返回指向数组的指针，那就是错误的。

- Sami Kuhmonen

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可能需要参考C++标准§2.14.5.8，其中“普通字符串字面值和UTF-8字符串字面值也被称为窄字符串字面值。窄字符串字面值的类型为“n const char的数组”，其中n是以下定义的字符串大小，并具有静态存储期。”和§3.7.1.1，“所有没有动态存储期、线程存储期和不是局部变量的变量都具有静态存储期。这些实体的存储空间应持续整个程序的运行时间。” 可在https://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2013/n3797.pdf找到相关内容。 - Tommy Andersen

@TommyAndersen 谢谢，那是一份宝贵的参考资料！ - Sami Kuhmonen

Answer 2

你声明了一个指向字符串字面值（它们的第一个字符）的指针数组。

你声明了一个指向字符串字面值（它们的第一个字符）的指针数组

char *name[] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

字符串字面值具有静态存储期，也就是说，在函数退出后它们仍然存在。

例如，在 C 标准（6.4.5 字符串字面值）中写道：

6 在第 7 翻译阶段，对于由一个或多个字符串字面值组成的每个多字节字符序列，都会添加一个值为零的字节或代码。78) 然后使用这些多字节字符序列初始化一个具有静态存储期的数组，该数组的长度刚好足以容纳这个序列....

另一方面，数组本身具有自动存储期，也就是说在函数退出后不再存在。但是该函数返回一个指向字符串字面值的指针，而不是指向数组本身的指针。

如果尝试返回指向数组本身的指针，则该函数将出现错误，例如：

char * ( *month_name(int n) )[13] {
    char *name[] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                    "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

    //...     
    return &name;
}

或使用以下方式

char ** month_name(int n) {
    char * name[] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                    "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

    return n < 1 || n > 12 ? name : name + n;
}

或者，如果您想声明一个二维数组，可按如下方式：

char *month_name(int n) {
    char name[][13] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                    "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

    return n < 1 || n > 12 ? name[0] : name[n];
}

那么在这种情况下，返回语句

return n < 1 || n > 12 ? name[0] : name[n];

由于数组本身在退出函数后不会存在，因此确实会出现未定义的行为。

请注意，在C++中，与C相反，字符串字面值具有常量字符数组的类型。因此，要将您的函数编译为C ++代码，您必须按照以下方式定义该函数。

const char *month_name(int n) {
    const char *name[] = {"Invalid name", "Jan.", "Feb", "Mar", "Apr", "May", "June",
                    "July",         "Aug",  "Sep", "Oct", "Nov", "Dec"};

    return n < 1 || n > 12 ? name[0] : name[n];
}

在C语言中，最好以相同的方式定义函数，因为尽管C语言中字符串文字具有非常量字符数组的类型，但任何试图更改字符串文字的尝试都会引发未定义的行为。这样的函数定义可以避免程序错误。

- Vlad from Moscow