C 語(yǔ)言程序的理解與編譯優(yōu)化

吳元斌

（重慶三峽學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶404000）

0 引言

在多年的C 語(yǔ)言教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不少初學(xué)者對(duì)C 語(yǔ)言中運(yùn)算求值存在一些模糊認(rèn)識(shí)。很多人認(rèn)為C語(yǔ)言的算術(shù)表達(dá)式求值順序與數(shù)學(xué)中算術(shù)表達(dá)式的求值順序相同，即先乘除、后加減。C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了運(yùn)算符間的優(yōu)先級(jí)及同級(jí)運(yùn)算的結(jié)合性[1]，也是乘除運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)高于加減運(yùn)算，因此對(duì)于表達(dá)式a+b-c*d，其運(yùn)算順序看起來(lái)是：*、+、-，但事實(shí)上并非如此。

一些習(xí)題包括一個(gè)變量多次自增（或自減）求和的表達(dá)式，如：（a++）+（a++）。C 語(yǔ)言并沒(méi)有規(guī)定這兩個(gè)自增運(yùn)算與相加的求值順序。通常的理解是：先求左邊自增的值，再求另右邊自增的值，最后將兩個(gè)值相加，但實(shí)際上，有些編譯器進(jìn)行了優(yōu)化：先進(jìn)行兩次自增，然后再將兩個(gè)a 相加。還有其它依賴于編譯器的問(wèn)題，出現(xiàn)在習(xí)題或思考題甚至考試題中。這種情況是應(yīng)該避免的，因此程序的運(yùn)行結(jié)果是依賴于編譯器的，在不同的編譯器下運(yùn)行結(jié)果可能不同。

為了清楚的理解C 語(yǔ)言教學(xué)中存在的一些編譯相關(guān)的問(wèn)題，使初學(xué)者編寫(xiě)與不依賴于編譯器的C 語(yǔ)言程序，本文將列舉一些典型的C 語(yǔ)言示例程序，給出了它們?cè)诩砷_(kāi)發(fā)環(huán)境Eclipse + MinGW GCC、LCCWin32 以及在Visual Studio 2019 下的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比。由于多數(shù)示例程序的運(yùn)行結(jié)果存在一些差異，進(jìn)一步展示、對(duì)照和分析了源程序在開(kāi)源編譯器MinGW GCC和LCC 下目標(biāo)程序的反匯編程序，目標(biāo)程序的反匯編程序是利用Eclipse+MinGW GCC、LCC-Win32 兩種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境調(diào)試程序環(huán)境下得到的。本文還對(duì)編譯器翻譯算術(shù)表達(dá)式的基本思想進(jìn)行說(shuō)明，并分析編譯器在表達(dá)式運(yùn)算求值順序?qū)崿F(xiàn)中的具體差異。

1 示例源程序及其目標(biāo)程序反匯編分析

1.1 算術(shù)表達(dá)式中運(yùn)算的次序

算術(shù)表達(dá)式是用二元運(yùn)算符+、-、*、/和圓括號(hào)連接起來(lái)的滿足語(yǔ)法和語(yǔ)義規(guī)則的式子，C 語(yǔ)言規(guī)定了其中運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性，如圓括號(hào)的優(yōu)先級(jí)最高，之后是乘除，加減最低，同一優(yōu)先級(jí)的兩個(gè)算術(shù)運(yùn)算符的結(jié)合性是從左到右，但C 語(yǔ)言算術(shù)表達(dá)式中運(yùn)算的次序不等同于數(shù)學(xué)中運(yùn)算的次序。通過(guò)分析一些C 語(yǔ)言教材[2-4]中給出的容易引起模糊認(rèn)識(shí)的示例，用下列典型程序段進(jìn)行說(shuō)明：

照數(shù)學(xué)運(yùn)算規(guī)則，賦值語(yǔ)句右邊的表達(dá)式運(yùn)算順序依次是：*、/、*、+、-，運(yùn)算過(guò)程和結(jié)果可以表示為：a* 4 + b/ 2- c * b →12 + b/ 2- c * b →12 + 2 - c *b →12+2-20 →14-20 →-6。雖然C 語(yǔ)言程序中表達(dá)式的運(yùn)行結(jié)果值也是-6，但運(yùn)算次序與上述數(shù)學(xué)運(yùn)算次序是不同的。編譯程序是用下面的文法對(duì)算術(shù)表達(dá)式進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，文法指明了運(yùn)算符的結(jié)合性和優(yōu)先級(jí)，算術(shù)表達(dá)式的文法為[5-6]：

其中非終結(jié)符E 表示一組以+號(hào)或-號(hào)分隔的項(xiàng)所組成的表達(dá)式；T 表示由一組以*號(hào)或/號(hào)分隔的因子所組成的項(xiàng)，F(xiàn) 表示因子，它是用括號(hào)括起來(lái)的表達(dá)式或標(biāo)識(shí)符id。變量和常數(shù)被詞法分析程序歸類為標(biāo)識(shí)符id。利用該文法生成上面表達(dá)式的語(yǔ)法樹(shù)是唯一的，如圖1 所示。

圖1 生成示例表達(dá)式的語(yǔ)法樹(shù)

其中，圖中的id 對(duì)應(yīng)的變量或常量從左到右依次是a、4、b、2、c、b。通過(guò)語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯（類似于語(yǔ)法樹(shù)自下而上或遞歸下降分析），上述表達(dá)式被翻譯成為每條指令最多一個(gè)運(yùn)算符的指令序列[5]。將上述表達(dá)式計(jì)算的同一示例程序在兩種集成環(huán)境中調(diào)試視圖截圖（源程序及反匯編）如圖2 所示，左圖是Eclipse+Min-GW GCC，右圖LCC-Win32，兩個(gè)子圖的上面部分都是源程序，下面都是目標(biāo)程序的反匯編程序。左、右兩圖放在一起是便于對(duì)比分析（下面示例都采用這種方式）。

其中左圖中最后用紅色邊框包括的列為手工添加的代碼說(shuō)明，右圖的反匯編用圓括號(hào)包含了變量名。兩種編譯器采用的指令不完全相同，左圖中除法比右圖的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，詳細(xì)分析可見(jiàn)文獻(xiàn)[7]?？梢钥闯?，兩個(gè)編譯器處理表達(dá)式的運(yùn)算次序相同的，它們的次序都是：*、/、+、*、-，顯然與數(shù)學(xué)運(yùn)算規(guī)則不同。這個(gè)運(yùn)算次序也就是圖1 中的語(yǔ)法樹(shù)按運(yùn)算符從下到上、從左到右得到的運(yùn)算次序。

實(shí)際上，C 語(yǔ)言算術(shù)表達(dá)式求值中在處理當(dāng)前運(yùn)算符時(shí)，要與其右邊相鄰的運(yùn)算符進(jìn)行比較，若當(dāng)前運(yùn)算符高于其相鄰右邊的運(yùn)算符，或者它們的優(yōu)先級(jí)相同，且結(jié)合性是從左到右，則完成當(dāng)前運(yùn)算，否則先處理其右邊相鄰的運(yùn)算，其右邊相鄰的運(yùn)算也要處理方法也是相同的，如此等等，直到所有運(yùn)算完成。編譯器自下而上的翻譯法在表達(dá)式最后添加了一個(gè)運(yùn)算符$（優(yōu)先級(jí)最低）運(yùn)算符[5-6]，它就沒(méi)有右邊相鄰的運(yùn)算符了。

圖2 兩種編譯器表達(dá)式運(yùn)算次序相同

1.2 表達(dá)式運(yùn)算次序的副作用

很多時(shí)候無(wú)論是按數(shù)學(xué)運(yùn)算次序還是按編譯程序指定的次序運(yùn)算，算術(shù)表達(dá)式的值是相同的，看起來(lái)不用區(qū)分C 語(yǔ)言表達(dá)式的運(yùn)算次序，但并不總是這樣。當(dāng)表達(dá)式中存在項(xiàng)與項(xiàng)之間的值存在依賴關(guān)系時(shí)，結(jié)果就可能不同，如將上面的程序段修改為：

所作的修改只是將上例的表達(dá)式最后一項(xiàng)改為（b=2），由于第2 項(xiàng)中的b 與最后一項(xiàng)的b 存在依賴關(guān)系，編譯器MinGW GCC 與LCC 對(duì)表達(dá)式的優(yōu)化處理不同，程序在兩種環(huán)境下的運(yùn)行結(jié)果不同，分別為4和3，在Visual Studio 2019 下運(yùn)行的結(jié)果也為3。

該程序在MinGW GCC 與LCC 編譯反匯編對(duì)比如圖3 所示，分析發(fā)現(xiàn)LCC 編譯器中b 賦值為2 的指令被提前，MinGW GCC 則沒(méi)有，兩條指令分別用紅色方框標(biāo)出，表達(dá)式中其它的運(yùn)算次序還是與上例相同?？梢?jiàn)，兩種編譯器只是對(duì)“（b=2）”的處理不同，在LCC環(huán)境下表達(dá)式中所有b 的值都是2，而在MinGW GCC環(huán)境下只是最后的b 的值為2，因此導(dǎo)致了程序的運(yùn)行結(jié)果不同，所以該程序的運(yùn)行結(jié)果完全依賴于編譯環(huán)境。

圖3 兩種編譯器對(duì)運(yùn)算次序優(yōu)化存在差異

1.3 函數(shù)實(shí)參的求值順序處理

C 語(yǔ)言也沒(méi)有指定函數(shù)各參數(shù)的求值順序[1]。在函數(shù)調(diào)用時(shí)，有的編譯器是從左到右，有的則是從右到左。參考文獻(xiàn)[3]有一個(gè)類似于下面的程序段：

通過(guò)在MinGW GCC 與LCC 下運(yùn)行程序后發(fā)現(xiàn)，第1 個(gè)輸出語(yǔ)句的運(yùn)行結(jié)果不同，分別為“3 3”和“3 0”，而第1 個(gè)輸出語(yǔ)句在Visual Studio 2019 下運(yùn)行的結(jié)果為“3 3”。三種環(huán)境下第2 個(gè)輸出語(yǔ)句的結(jié)果為“3 3 3”，即變量a、b、c 的值最后都是3，這說(shuō)明在三種環(huán)境下編譯器的求值順序都是從右到左。由于第1 個(gè)輸出存在差異，為了找出問(wèn)題的原因，將該程序在Min-GW GCC 與LCC 編譯反匯編進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。

圖4 兩種編譯器對(duì)實(shí)參求值的處理不同

分析圖4 發(fā)現(xiàn)，兩種編譯器都是先計(jì)算右邊的參數(shù)（左圖中第1 個(gè)加框的部分為第1 個(gè)參數(shù)的求值，右圖中為第1 個(gè)加框指令的前6 條指令），然后計(jì)算左邊的參數(shù)。但是它們處理值的方式不同，對(duì)MinGW GCC環(huán)境中，printf 輸出的是變量a 的最終值（左圖第2 個(gè)加框部分）。但在LCC 環(huán)境中是將兩個(gè)實(shí)參的值分別保存在寄存器rbx、rdi 中，計(jì)算一個(gè)保存一個(gè)（右圖中兩個(gè)加框指令），rbx 的值為0，rdi 的值為3。可見(jiàn)盡管都是從右到左計(jì)算函數(shù)實(shí)參，但形參的值卻不同，程序的執(zhí)行結(jié)果也依賴于編譯程序，只有仔細(xì)分析它們的反匯編程序，才能搞清楚其中的原因。

1.4 自增自減運(yùn)算的副作用

函數(shù)調(diào)用、嵌套賦值語(yǔ)句、自增與自減運(yùn)算符都有可能產(chǎn)生“副作用”—在對(duì)表達(dá)式求值的同時(shí)，修改了某些變量的值[1]。一些C 語(yǔ)言教材的練習(xí)中常常包含類似于下面的程序段：

上述程序在MinGW GCC 和LCC 下下的運(yùn)行結(jié)果分別為“11 14 7 7”和“11 13 7 7”，在Visual Studio 2019下的運(yùn)行結(jié)果為“11 14 7 7”?？梢?jiàn)輸出結(jié)果存在差異，為了找出問(wèn)題的原因，將該程序在MinGW GCC 與LCC編譯反匯編進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示。

圖5 兩種編譯器對(duì)自增運(yùn)算處理不同

在圖5 中，分別對(duì)兩種環(huán)境下相關(guān)指令功能進(jìn)行了說(shuō)明（紅色框線中）?？梢钥闯?，兩種環(huán)境下對(duì)后綴的自增運(yùn)算處理相同，即先累加，再自增，再累加，再自增，累加的結(jié)果都是11。但對(duì)于前綴的自增運(yùn)算處理則不同，在MinGW GCC 下前綴的自增運(yùn)算被優(yōu)化（在加法運(yùn)算前進(jìn)行），而在LCC 下前綴的自增運(yùn)算則不同，并沒(méi)有優(yōu)化，所以前綴的自增運(yùn)算相加的結(jié)果不同，分別為14 和13。因此一個(gè)變量多次自增（或自減）求和表達(dá)式的值也依賴于編譯器。

2 結(jié)語(yǔ)

本文討論了C 語(yǔ)言教學(xué)中一些容易引起初學(xué)者產(chǎn)生模糊認(rèn)識(shí)的典型問(wèn)題，通過(guò)不同編譯環(huán)境對(duì)目標(biāo)程序的反匯編對(duì)照與分析，能夠清楚地看到這些程序的運(yùn)行結(jié)果依賴于編譯器，不同編譯器可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。這樣的問(wèn)題還很多，雖然初學(xué)者也不一定能夠理解這些分析及編譯原理的具體細(xì)節(jié)，但教學(xué)中應(yīng)該讓他們知道編寫(xiě)依賴于編譯器的程序是不好的習(xí)慣。在任何一種編程語(yǔ)言中，如果代碼的執(zhí)行結(jié)果與求值順序有關(guān)，則都是不好的程序設(shè)計(jì)風(fēng)格。很自然，有必要了解哪些問(wèn)題需要避免，但是，如果不知道這些問(wèn)題在各種機(jī)器上是如何解決的，就最好不要嘗試運(yùn)用某種特殊的實(shí)現(xiàn)方式[1]。因此，C 語(yǔ)言教學(xué)一個(gè)很重要的工作是讓學(xué)生學(xué)會(huì)正確的編程方法，培養(yǎng)良好的編程習(xí)慣[2]，避免編寫(xiě)執(zhí)行結(jié)果依賴于編譯器的C 語(yǔ)言程序。