循环中的变量定义

Question

我一直在努力养成在需要时定义琐碎变量的习惯。我一直谨慎地编写这样的代码：

while (n < 10000) {
   int x = foo();
   [...]
}

我知道标准非常明确，x只存在于循环内部，但这是否意味着整数在每次迭代时都将在堆栈上分配和释放？我意识到优化编译器不太可能这样做，但这是有保证的吗？

例如，写成这样是否更好：

int x;
while (n < 10000) {
   x = foo();
   [...]
}

我并不是指这段代码，而是任何类似的循环。

我用gcc 4.7.2做了一个简单的测试，测试中有一个与这个不同的循环，但是生成了相同的汇编代码。我的问题是，按照标准，这两个循环是否相同？

- teppic

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正如你自己所说的关于第一个循环：“我知道标准非常明确，即x仅存在于循环内部”，并且在第二个示例中，变量x在循环之后可用，这两个示例不可能相同，否则标准将是模棱两可的。 - Some programmer dude

@JoachimPileborg：嗯，是的 - 但就循环而言。 - teppic

如果你只考虑循环而不考虑其他因素，那么是的，它们是相同的。 - Some programmer dude

Answer 1

请注意，像这样“分配”自动变量几乎是免费的；在大多数机器上，它要么是单指令堆栈指针调整，要么编译器使用寄存器，在这种情况下不需要执行任何操作。

此外，由于变量在循环退出之前仍然处于作用域中，因此绝对没有理由在循环退出之前“删除”(=重新调整堆栈指针)它。我当然不希望像这样的代码每次迭代都有任何开销。

当然，如果编译器觉得合适，它也可以将分配从循环中移出，使代码等效于第二个例子，其中while之前有一个int x;声明。重要的是，第一种方法更易于阅读，并且更紧密地定位，即更适合人类。

- unwind

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但是，由于变量在循环中被定义（而不仅仅是访问），它必须超出范围（至少从技术上来说）吧？否则下一次迭代将尝试定义现有变量的另一个实例？ - teppic

从技术上讲，它会消失。在实践中，这意味着(a) 你不能在循环外引用 x，(b) 编译器停止使用为 x 分配的空间来存储 x（并且它可能开始使用同一空间来存储后续代码中不同的变量）。除了编译器是否引用内存位置之外，不太可能有其他变化。 - Jonathan Leffler

Answer 2

是的，在循环内部的变量x在每次迭代中都会被定义，并通过对foo()的调用初始化。如果foo()每次产生不同的答案，这是可以的；如果它每次产生相同的答案，那么这是一个优化机会 - 将初始化移出循环。对于像这样的简单变量，编译器通常只在堆栈上保留sizeof(int)字节 - 如果不能将x保存在寄存器中 - 在x在作用域内时使用它，可能会在同一函数中的其他变量中重用该空间。如果变量是VLA（可变长度数组），则分配更为复杂。

孤立的两个片段等效，但区别在于x的作用域。在声明在循环外的示例中，该值在循环退出后仍然存在。在循环内声明x时，一旦循环退出，它就无法访问。如果您写：

{
    int x;
    while (n < 10000)
    {
        x = foo();
        ...other stuff...
    }
}

那么这两个片段几乎是等价的。在汇编级别上，你很难发现任何一个案例中的差异。

- Jonathan Leffler

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你对于 x 的作用域的差异是正确的，当然，我之前的问题描述不够清晰，但是你的例子解决了这个比较。 - teppic

Answer 3

我的个人观点是，一旦你开始担心这样的微小优化，你就注定要失败。收益是：

a）可能非常小

b）不可移植

我会坚持使用能清晰表达你意图的代码（即在循环内部声明x），让编译器关心效率。

- Robbie Dee

Answer 4

在 C 标准中没有规定编译器应该如何生成这两种情况下的代码。如果编译器喜欢，它可以在循环的每次迭代中调整堆栈指针。

话虽如此，除非您开始像这样使用可变长度数组（VLA）：

void bar(char *, char *);
void
foo(int x)
{
        int i;
        for (i = 0; i < x; i++) {
                char a[i], b[x - i];
                bar(a, b);
        }
}

编译器很可能只会在函数开始时分配一个大的堆栈帧。相比于在块中创建和销毁变量，仅在函数开始时分配所需的所有内容更难生成代码。

- Art