一个 printf 引发的基础复习

先看一下引发我追究一下 printf 和栈桢等相关知识的一段简单的程序：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%d ", 8.0/5);
    printf("%.2f", 8/5);
    return 0;
}

初看时，想当然了一下觉得输出就是1 1.00，后来编译出来运行一下，屏幕上却赫然是-1717986918 1.60。

在脑中干想了良久，其时的疑惑主要有两点：

1. 1.6 转换为整形怎么就变成了负数。

2. 1 转换为浮点数怎么就变成了 1.60。

现在看来当时的理解中存在着一个很大的误区，就是觉得 printf 是将参数根据格式化字符串进行强制类型转换之后再进行输出的，即编译器会自动将程序变换成如下模样：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%d ", (int)(8.0/5));
    printf("%.2f", (float)(8/5));
    return 0;
}

但是第一段程序的输出已经打脸了，那么想想办法找找合理的解释。

分析

面对这类问题，现象诡异程序简单，能想到的最有效的方法之一就是看汇编。

使用g++ -S编译出第一段程序的汇编如下：

	.file	"demo.cpp"
	.def	___main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
	.section .rdata,"dr"
LC1:
	.ascii "%d \0"
LC2:
	.ascii "%.2f\0"
	.text
	.globl	_main
	.def	_main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
_main:
	pushl	%ebp
	movl	%esp, %ebp
	andl	$-16, %esp
	subl	$16, %esp
	call	___main
	fldl	LC0
	fstpl	4(%esp)
	movl	$LC1, (%esp)
	call	_printf
	movl	$1, 4(%esp)
	movl	$LC2, (%esp)
	call	_printf
	movl	$0, %eax
	leave
	ret
	.section .rdata,"dr"
	.align 8
LC0:
	.long	-1717986918
	.long	1073322393
	.ident	"GCC: (GNU) 4.9.1"
	.def	_printf;	.scl	2;	.type	32;	.endef

第一个 printf 结果的解释

一眼望去，有没有发现一个熟悉的数？没错，我们程序的第一个输出 -1717986918 赫然在目。由此产生的猜想：

LC0 对应的两个。long 合起来是 double 类型的 8.0/5，而对其低位 4 字节进行截取后对应的整数为 -1717986918。

来把相关的数转换成二进制验证一下（IEEE 浮点数表示法相关知识见附：IEEE 754 浮点数表示法）：

-1717986918 转换成十六进制为 -0x66666666，对应的二进制为：

1110 0110 0110 0110 0110 0110 0110

因为负数在内存中使用补码存储，故将如上二进制转换为补码才是它在内存中的样子：

1001 1001 1001 1001 1001 1001 1010

1073322393 转换成十六进制为 0x3ff99999，对应的二进制为：

0011 1111 1111 1001 1001 1001 1001

将这两个数合起来，1073322393 作为高位就是：

0011 1111 1111 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1010

转换成浮点数恰恰就是 1.6000000000000001，可以认为与 8.0/5 的结果相符。所以第一个 printf 输出结果的推论：

1. 给 printf 传递的是参数的原始类型，而不是根据格式化字符串进行强制转换后的类型。

   比如printf("%d ", 8.0/5);就会传 double 类型的 8.0/5，而不是根据 %d 强制转换成整型后再传参。

2. printf 在根据格式化字符串组成输出的时候，会直接在对应参数的起始地址读取一个格式指定的类型出来。

   比如printf("%d ", 8.0/5);就会在 double 类型的 8.0/5 的位置读取一个整型数出来，而小端模式下是高位高地址，低位低地址，所以这里是将 double 的低位 4 字节按 int 类型读取。

   +--------------+
   |  double low  | --> 把低位 4 字节当作 int 读取
   +--------------+
   |  double high |
   +--------------+
   

第二次 printf 结果的解释

在上面的汇编代码中对第二次 printf 的调用部分如下：

	movl	$1, 4(%esp)
	movl	$LC2, (%esp)
	call	_printf

可以看到传参确实传的整数 1 进去的，但是输出就变成了 1.60，结合我们对第一个输出的推论，则是会在整型 1 的位置读取一个 double 类型的数，并将内存中的整型 1 作为 double 的低位部分。为什么这里偏偏这么巧会是 1.60 而不是其它的什么值呢？结合上一次调用 printf 时传的参是 8.0/5 的情况，猜想：

受上一次调用后栈上残留数据的影响。

即：

+--------------+
|     int      | -+----> 把这 8 字节当 double 读取
+--------------+  |
|residual data | -+
+--------------+

于是将第一次调用的传参修改一下将残留数据变化一下，即：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("%d ", 9.0/5);
    printf("%.2f", 8/5);
    return 0;
}

果然如预料第二个 printf 的输出变成了 1.80。这又一次印证了对第一个输出分析后的两个结论。来复习一下基础，引自《深入理解计算机系统》里的一段话：

假设过程 P（调用者）调用过程 Q（被调用者），则 Q 的参数放在 P 的栈帧中。

即 printf 的参数是放在 main 函数的栈帧中的，那么两次调用call _printf前的堆栈情况应该是这样的：

+-------------+                    +-------------+
|             |        ...         |             |
+-------------+                    +-------------+
|             |                    |             |
+-------------+                    +-------------+
| format str1 | <-- esp            | format str2 | <-- esp
+-------------+                    +-------------+
| double low  |                    |     int     |
+-------------+                    +-------------+
| double high |                    | double high |
+-------------+  main stack frame  +-------------+
|     ...     |                    |     ...     |
+-------------+                    +-------------+
|             |                    |             |
+-------------+                    +-------------+
|   (%ebp)    | <-- ebp            |   (%ebp)    | <-- ebp
+-------------+                    +-------------+

这里面补充的关键知识点：

• 被调用函数的参数存放在调用函数的栈帧中。

IEEE-754

+---+-----+----------+
| S | Exp | Mantissa |
+---+-----+----------+

S：符号位

Exp：指数偏差

Mantissa：尾数

• 单精度（32 位）

  S：1 位

  Exp：8 位，二进制科学计数法中的指数加 127（2^(8-1)-1）

  Mantissa：23 位，二进制科学计数法中的小数部分

• 双精度（64 位）

  S：1 位

  Exp：11 位，二进制科学计数法中的指数加 1023（2^(11-1)-1）

  Mantissa：52 位，二进制科学计数法中的小数部分