C 語言函數呼叫堆疊幀深度剖析：為什麼區域陣列會「神奇」共享記憶體？

現象：一段「有鬼」的代碼

void input(void) {
    int arr[20];
    for (int i = 0; i < 20; i++) arr[i] = i;
}

void output(void) {
    int arr[20];
    for (int i = 0; i < 20; i++) printf("%d\n", arr[i]); // 竟然印出 0~19！
}

int main(void) {
    input();
    output();
    while (1) {}
}

輸出竟然是 0~19！ 兩個函數各自的 `arr` 明明是不同變數，為何 `output` 能讀到 `input` 寫入的值？

關鍵知識：堆疊向下增長與幀結構

• 堆疊方向：高位址 → 低位址 (x86/x64/ARM 皆同)
• 關鍵暫存器：
  • RBP/EBP (Base Pointer) — 幀基址，指向當前幀底部
  • RSP/ESP (Stack Pointer) — 幀頂，隨 push/pop 移動

函數呼叫完整流程 (x86-64 System V ABI)

sequenceDiagram
    participant Caller
    participant Callee
    Caller->>Callee: 1. 參數放入暫存器/堆疊
    Caller->>Callee: 2. CALL 指令 (推 RIP, 跳轉)
    Callee->>Callee: 3. PUSH RBP (保存呼叫者幀基址)
    Callee->>Callee: 4. MOV RSP, RBP (建立新幀基址)
    Callee->>Callee: 5. SUB RSP, N (分配區域變數空間)
    Callee->>Callee: 6. 執行函數本體
    Callee->>Caller: 7. MOV RBP, RSP (釋放區域空間)
    Callee->>Caller: 8. POP RBP (恢復呼叫者幀基址)
    Callee->>Caller: 9. RET (彈 RIP 跳回)

為什麼 `input` 與 `output` 共用記憶體？

1. `input()` 執行時，在堆疊分配 20×4=80 bytes 給 `arr`，寫入 0~19。
2. `input()` 返回，堆疊指針 `RSP` 恢復，**但記憶體內容不會清零**。
3. `output()` 被呼叫，**重用完全相同的堆疊位置** 分配自己的 `arr` (相同大小、相同對齊)。
4. `output()` 未初始化即讀取，剛好讀到殘留的 0~19。

這是未定義行為 (UB)：讀取未初始化區域變數。巧合下輸出「正確」，實則極度危險。

加入 `printf` 後發生什麼？

int main(void) {
    input();
    printf("middle\n");   // 呼叫庫函數
    output();
}

`printf` 內部使用大量區域變數，**覆蓋了堆疊上殘留的資料**，導致 `output` 讀到亂碼 (前半段可能倖存，後半段被覆蓋)。

編譯器優化的影響

教訓：永遠不要依賴未初始化記憶體的內容，無論編譯器模式。

正確做法：參數傳遞或靜態儲存

/* 方案 1: 呼叫者分配，傳指標 */
void input(int *arr, size_t n) {
    for (size_t i = 0; i < n; i++) arr[i] = i;
}
void output(const int *arr, size_t n) {
    for (size_t i = 0; i < n; i++) printf("%d\n", arr[i]);
}
int main(void) {
    int buf[20];
    input(buf, 20);
    output(buf, 20);
}

/* 方案 2: 靜態區域變數 (單例模式) */
int *get_buffer(void) {
    static int buf[20];  // 僅初始化一次，儲存在 .bss
    return buf;
}

進階：查看組合碼驗證

$ gcc -Og -S stack_demo.c -o stack_demo.s
$ grep -A5 -B5 'sub.*rsp' stack_demo.s
input:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    subq $80, %rsp      # 分配 80 bytes 給 arr[20]
    ...
output:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    subq $80, %rsp      # 相同位移，相同位置！
    ...

總結：堆疊幀記憶體模型心智圖

高位址
┌─────────────────────┐
│ 呼叫者區域變數       │ ← RBP (呼叫者幀基址)
├─────────────────────┤
│ 返回位址 (RIP)       │
├─────────────────────┤
│ 呼叫者 RBP (保存)    │ ← RBP (被呼叫者幀基址)
├─────────────────────┤
│ 被呼叫者區域變數     │ ← RSP (幀頂，向下增長)
│   (arr[20] 在這裡)   │
└─────────────────────┘
低位址

核心原則

1. 區域變數 = 堆疊暫存，函數返回即失效，內容隨後覆蓋。
2. 相同大小/對齊的區域陣列 在連續呼叫中極大機率重用同一記憶體區塊。
3. 未初始化讀取 = UB，編譯器有權優化掉、填充 0xCC、或保留垃圾值。
4. 跨函數共享資料 必須透過參數指標、返回指標、靜態/動態儲存 顯式傳遞。

延伸閱讀

• CSAPP 第 3 章《程式的機器級表示》— 堆疊幀、呼叫慣例
• System V AMD64 ABI 文件 — 參數傳遞、紅區、向量暫存器保存
• GCC `-fstack-protector` / Clang `-fsanitize=address` — 堆疊緩衝區保護與檢測工具

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