返回包含数组的结构体

Question

以下简单代码在 gcc 4.4.4 下出现段错误，

#include<stdio.h>

typedef struct Foo Foo;
struct Foo {
    char f[25];
};

Foo foo(){
    Foo f = {"Hello, World!"};
    return f;
}

int main(){
    printf("%s\n", foo().f);
}

将最后一行更改为

 Foo f = foo(); printf("%s\n", f.f);

工作正常。使用 -std=c99 编译时，两个版本都可以工作。我是否只是调用未定义的行为，或者标准中的某些内容发生了更改，从而允许代码在 C99 下工作？为什么在C89下会崩溃？

Answer 1

我相信 C89/C90 和 C99 中的行为都未定义。

foo().f 是一个数组类型的表达式，具体为char[25]。 C99 6.3.2.1p3 说：

除非它是 sizeof 运算符或一元运算符的操作数
& 运算符，或者是用于初始化数组的字符串文字，
类型为“array of type”的表达式被转换为
类型为“指向类型”的表达式，指向初始值
数组对象的元素并且不是左值。如果数组对象
有寄存器存储类，行为未定义。

在这种特殊情况下（数组是函数返回的结构的元素），问题在于不存在“数组对象”。函数结果按值返回，因此调用 foo() 的结果是 struct Foo 类型的 value，并且 foo( ).f 是 char[25] 类型的值（不是左值）。

据我所知，这是 C（直到 C99）中唯一可以使用数组类型的非左值表达式的情况。我想说的是，尝试访问它的行为是由于遗漏而未定义的，可能是因为标准的作者（恕我直言，可以理解）没有考虑到这种情况。您可能会在不同的优化设置下看到不同的行为。

新的 2011 C 标准通过发明新的存储类来修补这个极端情况。 N1570（链接是 C11 之前的最新草案）说在 6.2.4p8 中：

具有结构体或联合类型的非左值表达式，其中
结构或联合包含数组类型的成员（包括，
递归地，所有包含的结构和联合的成员）指的是
具有自动存储持续时间和临时生命周期的对象。
它的生命周期从表达式被求值并且它的初始值开始
value 是表达式的值。它的生命周期结束时
包含完整表达式或完整声明符的评估结束。
任何尝试修改具有临时生命周期的对象都会导致
未定义的行为。

因此程序的行为在 C11 中得到了很好的定义。不过，在您能够获得符合 C11 标准的编译器之前，最好的选择可能是将函数的结果存储在本地对象中（假设您的目标是工作代码而不是破坏编译器）：

[...]
int main(void ) {
    struct Foo temp = foo();
    printf("%s\n", temp.f);
}

Answer 2

printf 有点有趣，因为它是需要 可变参数。因此，让我们通过编写一个辅助函数 bar 来分解它。稍后我们将返回到 printf。

（我使用“gcc (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3”）

void bar(const char *t) {
    printf("bar: %s\n", t);
}

并调用它：

bar(foo().f); // error: invalid use of non-lvalue array

好的，这会产生错误。在 C 和 C++ 中，不允许按值传递数组。您可以通过将数组放入结构中来解决此限制，例如 void bar2(Foo f) {...}

但我们没有使用该解决方法 - 我们不允许通过按值在数组中。现在，您可能认为它应该衰减为 char*，从而允许您通过引用传递数组。但只有当数组有地址（即是左值）时，衰减才有效。但是临时变量（例如函数的返回值）存在于一个没有地址的神奇土地中。因此您不能获取临时地址&。简而言之，我们不允许获取临时地址，因此它不能衰减为指针。我们无法按值传递它（因为它是一个数组），也无法通过引用传递它（因为它是临时的）。

我发现以下代码有效：

bar(&(foo().f[0]));

但说实话，我认为这是可疑的。这不是违反了我刚才列出的规则吗？

为了完整起见，这可以完美地工作：

Foo f = foo();
bar(f.f);

变量 f 不是临时变量，因此我们可以（隐式地，在衰减期间）获取它的地址。

printf、32 位与 64 位以及奇怪之处

我答应再次提及 printf。根据上面的内容，它应该拒绝将 foo().f 传递给任何函数（包括 printf）。但 printf 很有趣，因为它是可变参数函数之一。 gcc 允许自己将数组按值传递给 printf。

当我第一次编译并运行代码时，它处于 64 位模式。直到我用 32 位编译（-m32 到 gcc）时，我的理论才得到证实。果然我遇到了段错误，就像原来的问题一样。 （在 64 位时，我得到了一些乱码输出，但没有段错误）。

我实现了自己的 my_printf （带有无意义的 vararg），它在尝试打印 char*< 指向的字母之前打印了 char * 的实际值/代码>。我这样称呼它：

my_printf("%s\n", f.f);
my_printf("%s\n", foo().f);

这是我得到的输出（ideone 上的代码）：

arg = 0xffc14eb3        // my_printf("%s\n", f.f); // worked fine
string = Hello, World!
arg = 0x6c6c6548        // my_printf("%s\n", foo().f); // it's about to crash!
Segmentation fault

第一个指针值0xffc14eb3 是正确的（它指向字符“Hello, world!”），但看看第二个 0x6c6c6548。这就是 Hell 的 ASCII 代码（逆序 - 小字节序或类似的东西）。它已按值将数组复制到 printf 中，并且前四个字节已被解释为 32 位指针或整数。该指针没有指向任何合理的位置，因此当程序尝试访问该位置时会崩溃。

我认为这违反了标准，仅仅是因为我们不应该被允许按值复制数组。

Answer 3

在 MacOS X 10.7.2 上，GCC/LLVM 4.2.1（'i686-apple-darwin11-llvm-gcc-4.2 (GCC) 4.2.1（基于 Apple Inc. build 5658）（LLVM build 2335.15.00）' ）和 GCC 4.6.1（我构建的）编译代码而不发出警告（在 -Wall 下-Wextra），在 32 位和 64 位模式下。程序全部运行，没有崩溃。这正是我所期望的；该代码对我来说看起来不错。

也许 Ubuntu 上的问题是特定版本的 GCC 中的一个错误，现已修复？