C语言中栈变量是反向存储的吗？

Question

我正在尝试理解C语言在栈上分配内存的方式。我一直认为栈上的变量可以像结构体成员变量一样表示，它们在栈内占用连续的字节块。为了帮助说明这个问题，我在某处找到了一个示例程序，它重现了这种现象。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void function(int  *i) {
    int *_prev_int =  (int *) ((long unsigned int) i -  sizeof(int))  ;
    printf("%d\n", *_prev_int );    
}

void main(void) 
{
    int x = 152;
    int y = 234;
    function(&y);
}

你看到我在做什么了吗？假设 sizeof(int) 是4：我查看传递指针的4个字节，因为这将读取调用者栈中 int y 之前的4个字节。

它没有打印出152。奇怪的是，当我查看下面的4个字节时：

int *_prev_int =  (int *) ((long unsigned int) i +  sizeof(int))  ;

现在它已经运行，打印出来的是调用栈中x变量的内容。为什么x的地址比y低？堆栈变量是倒序存储的吗？

- doc_id

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我认为这是实现定义的/或未指定的。请查看此答案https://dev59.com/63E95IYBdhLWcg3wPbZ7#4105123 - Grijesh Chauhan

这完全取决于不同的平台，但许多主流平台实际上会将堆从代码/数据段向上增长，并将栈从(可用)内存顶部向下增长。但是，在编写C代码时，您绝不能依赖于此...请注意不要改变原意。 - DevSolar

“int* prev = i - 1;” 这么简单的语句也能达到同样的效果吗？ - mch

C语言不会分配任何东西。它只是一个规范。它对你尝试检查的内容绝对没有任何说明。这意味着你不能以任何方式依赖实验结果。或者赋予它们任何含义。 - n. m.

要了解为什么你的实验毫无意义，请查看这里。 - n. m.

Answer 1

堆栈的组织完全是未指定的，是实现特定的。实际上，它很大程度上取决于编译器（甚至是其版本）和优化标志。

有些变量甚至不在堆栈上（例如，因为它们只保留在某些寄存器中，或者因为编译器优化了它们 - 例如内联、常量折叠等等）。

顺便说一句，您可能会有一些假设的C实现，它不使用任何堆栈（即使我不能命名这样的实现）。

要了解更多关于堆栈的知识：

请阅读有关 调用堆栈、尾调用、线程 和 continuations 的维基页面。

熟悉您计算机的 架构 和 指令集（例如 x86）和 ABI，然后...

要求编译器显示汇编代码和/或一些中间编译器表示。如果使用 GCC，请使用 gcc -S -fverbose-asm 编译一些简单的代码（在编译 foo.c 时获取汇编代码 foo.s），并尝试几个优化级别（至少 -O0, -O1, -O2 ...）。还可以尝试 -fdump-tree-all 选项（它会转储数百个文件，显示编译器针对源代码的一些内部表示）。请注意，GCC 还提供了 返回地址内置函数。

阅读 Appel 的旧论文，垃圾回收可以比堆栈分配更快，并了解 垃圾回收 技术（因为它们经常需要检查并可能更改调用堆栈帧内的某些指针）。要了解有关 GC 的更多信息，请阅读 GC 手册。

遗憾的是，我不了解低级语言（如C、D、Rust、C++、Go等），这些语言在语言层面上无法访问调用堆栈。这就是为什么编写C语言的垃圾收集器很困难（因为GC需要扫描调用堆栈指针）...但可以参考Boehm's conservative GC提供的非常实用和实际的解决方案。

- Basile Starynkevitch

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据我所知，C99标准没有规范地提到任何栈。 - Basile Starynkevitch

@GrijeshChauhan：不需要引用标准，因为它在标准中是未指定的。这就是为什么你不应该依赖它的行为。 - DevSolar

关于“假设的C实现”- 我记得有一些针对gcc的调整，可以编译最低端的AVR处理器，这些处理器没有RAM（或堆栈指针），只有32x8位寄存器。 - JimmyB

@GrijeshChauhan: 既然你有一个文本文档，那就搜索“stack”并查看它为什么没有给出单一匹配。参数和局部变量的存储位置未被标准定义--即未指明的行为。也许你的平台或编译器记录了它的操作方式，这意味着它是实现定义的。 - DevSolar

@grijeshchauhan：实际上，我认为添加这样的信息会带来更多的伤害而不是好处，因为太多的程序员不理解依赖于未指定/实现定义行为的影响，并且愉快地使用任何“对我有效”的东西，然后想知道为什么下一个编译器或操作系统更新会破坏他们的代码。 - DevSolar

Answer 2

现在几乎所有的处理器架构都支持堆栈操作指令(例如ARM中的LDM、STM指令)。编译器在这些指令的帮助下实现堆栈操作。通常情况下，当数据被推入堆栈时，堆栈指针会递减(向下增长)，而数据从堆栈中弹出时，堆栈指针会递增。

因此，堆栈的实现方式取决于处理器架构和编译器。

- Vagish

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这非常取决于编程语言。Go分配堆来管理其“栈”变量。换句话说，在Go程序中，“栈”指针增加的可能性更大。 - Alexis Wilke

@AlexisWilke，没错，但问题是关于'C'的。 - Vagish

不错的观点，尽管 C 的实现“可以”选择像 Go 一样去做。 - Alexis Wilke

Answer 3

取决于编译器和平台。只要程序（在这种情况下是编译器将其翻译成汇编语言，即机器代码）保持一致，并且平台支持它，就可以用多种方式完成同样的事情（好的编译器会尝试优化汇编以获得每个平台的“最大值”）。

深入了解C语言背后的技术，了解编译程序时发生的事情以及为什么会发生，一个非常好的资源是Dennis Yurichev的免费书籍《逆向工程入门（理解汇编语言）》，最新版本可在他的网站上找到。

- abetancort