被遗忘的初始化

2024年1月25日 147次阅读

前言

什么是初始化？为什么要初始化？静态变量和局部变量的初始化又有什么区别？实际应用中应该怎么做？本文将一一回答这些问题。

什么是初始化

初始化指的是对数据对象或者变量赋予初始值。例如：

int value = 8; //声明整型变量并初始化为8
int arr[] = {1,2,3}; //声明整型数组arr，并初始化其值为1,2,3

为什么要初始化

我们来看一个示例程序。
test0.c程序清单如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    int sum;
    int randNum;
    while(10 > sum)
    {
        randNum =  rand() % 10;

        sum += randNum;
        printf("rand num is %d,sum is %d\n",randNum,sum);
    }
    printf("the final sum is %d\n",sum);
    return 0;
}

程序随机产生0到9的数字，使得sum的值大于或等于10时，退出程序。
编译并运行：

gcc  -o test0 test0.c
./test0

运行结果如下（每次运行结果可能不同）：

rand num is 3,sum is -4040865
rand num is 6,sum is -4040859
rand num is 7,sum is -4040852
rand num is 5,sum is -4040847
rand num is 3,sum is -4040844
rand num is 5,sum is -4040839
（省略其他内容）

从运行结果来看，程序并没有达到我们的预期，这是为什么呢？

很多读者可能已经知道，问题在于声明sum之后，没有为其赋初始值，在这样的情况下，sum的值是随机的，因此在一开始sum可能是一个很小的负数，导致多次循环出现。很显然，初始化避免使用了变量的“脏值”。而将sum的声明改成如下定义即可：

int sum = 0；

如果将sum声明为静态变量，情况又会如何呢？

//test1.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    static int sum;
    int randNum;
    while(10 > sum)
    {
        randNum =  rand() % 10;

        sum += randNum;
        printf("rand num is %d,sum is %d\n",randNum,sum);
    }
    printf("the final sum is %d\n",sum);
    return 0;
}

编译并运行：

rand num is 3,sum is 3
rand num is 6,sum is 9
rand num is 7,sum is 16
the final sum is 16

在这种情况下，程序是能够符合我们预期的结果的，这又是为什么呢？原因在于静态变量会被默认初始化.例如，int类型会被初始化为0。那么问题来了：

  • 为什么局部变量未初始化的时候的值是“脏值”？
  • 静态变量和局部变量为什么又不一样呢？

在解答上面这两个问题之前，我们需要简单了解一下程序的存储空间布局。

程序的存储空间布局

C程序主要由以下几部分组成：

  • 正文段。即机器指令部分，为防止意外被修改，设为只读。
  • 初始化数据段。它包含了程序中需要明确赋初值的静态变量。
  • 未初始化数据段。它包含了程序中未赋初值的或初始化为0的静态变量，在程序开始执行之前，内核将此段中的数据初始化为0。
  • 栈。它保存了自动（局部）变量以及函数调用所要的信息。
  • 堆。用于动态内存分配。例如使用malloc函数进行内存分配。

其中，正文段和数据段的内容是“静态”的，因为在程序被编译出来之后，在整个程序地址就确定了，而堆栈中的内容是”动态”变化的，它随着进行的运行而不断变化着，再加上栈随机化的策略，使得程序每次运行时，栈的地址也是不确定的。

局部变量和静态变量的初始化有何不同

有了前面的铺垫，就很好理解两者的差别了。
未初始化的局部变量位于栈中，它的位置是不确定的，因此其值也是不确定的。当然，在windows下它的值是0xcccccccc，而“烫”字在MBCS字符集中的值为0xcccccccc，你说巧不巧？而静态变量就不一样的，它的地址是确定的，并且存放在了数据段，而程序在运行之前，未初始化数据段的内容可以很方便地统一被初始化为0。这也就解释了前面的两个示例程序的结果为什么会不一样。我们加上一些打印，来看一看是否真的如此？

//test2.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    static int sum;
    int randNum;
    while(10 > sum)
    {
        randNum =  rand() % 10;

        sum += randNum;
        printf("rand num is %d,sum is %d\n",randNum,sum);
    }
    printf("the final sum is %d\n",sum);
    printf("sum addr %p,randNum addr %p\n",&sum,&randNum);
    return 0;
}

编译并运行：

gcc -o test2 test2.c

运行结果1：

rand num is 3,sum is 3
rand num is 6,sum is 9
rand num is 7,sum is 16
the final sum is 16
sum addr 0x60104c,randNum addr 0x7ffd0ea8cf54

运行结果2：

rand num is 3,sum is 3
rand num is 6,sum is 9
rand num is 7,sum is 16
the final sum is 16
sum addr 0x60104c,randNum addr 0x7ffff5e3ddb4

在这里，sum是静态局部变量，而randNun是局部变量（自动变量），因此可以发现，sum的地址值总是不变的，而randNum的值却不断变化着。我们也可以通过nm命令查看sum的地址:

nm test2 |grep sum
000000000060104c b sum.2805

总结

我们来总结一下本文的主要内容：

  • 如果变量是静态的，它会被初始化为0；如果变量是自动的，它不会被初始化。
  • 静态的变量包括全局变量、静态全局变量、静态局部变量。
  • 使用局部变量之前对其进行初始化，避免使用“脏值”。
  • 从可读性考虑，静态变量也建议显示初始化。
  • 初始化为0的静态变量仍然存在未初始化数据段中（BSS段）。

送几句熟悉的话给大家：

手持两把锟斤拷,
口中疾呼烫烫烫。
脚踏千朵屯屯屯，
笑看万物锘锘锘。

思考

test1.c的代码运行结果每次都一样吗？为什么？该如何修改才能使得每次的运行结果不一样？

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