c - 无法返回数组在 C 中实际上意味着什么？

Question

我不是要复制关于 C 无法返回数组的常见问题，而是要更深入地研究它。

我们不能这样做:

char f(void)[8] {
    char ret;
    // ...fill...
    return ret;
}

int main(int argc, char ** argv) {
    char obj_a[10];
    obj_a = f();
}

但我们可以这样做:

struct s { char arr[10]; };

struct s f(void) {
    struct s ret;
    // ...fill...
    return ret;
}

int main(int argc, char ** argv) {
    struct s obj_a;
    obj_a = f();
}

因此，我正在浏览由 gcc -S 生成的 ASM 代码，并且似乎正在处理堆栈，与任何其他 C 函数返回一样寻址 -x(%rbp)。

直接返回数组有什么用？我的意思是，不是在优化或计算复杂性方面，而是在没有结构层的情况下这样做的实际能力。

额外数据:我在 x64 Intel 上使用 Linux 和 gcc。

Answer 1

首先，是的，您可以将数组封装在一个结构中，然后对该结构执行您想做的任何操作(分配它，从函数中返回它等)。
其次，正如您所发现的，编译器发出返回(或分配)结构的代码几乎没有困难。所以这也不是你不能返回数组的原因。
你不能这样做的根本原因是，坦率地说，数组是 C 中的二等数据结构。所有其他数据结构都是一等的。在这个意义上，“一流”和“二流”的定义是什么？简单地说，不能分配二等类型。
(你的下一个问题可能是，“除了数组，还有其他二等数据类型吗？”，我认为答案是“不是真的，除非你计算函数”。)
与不能返回(或分配)数组的事实密切相关的是，也没有数组类型的值。有数组类型的对象(变量)，但是每当您尝试取值时，您都会立即获得指向数组第一个元素的指针。 [脚注:更正式地说，没有数组类型的右值，尽管数组类型的对象可以被认为是左值，尽管是不可赋值的。]
因此，除了您无法分配给数组的事实之外，您甚至无法生成尝试分配的值。如果你说

char a[10], b[10];
a = b;

就好像你写过一样

a = &b[0];

所以我们在左边有一个数组，但在右边有一个指针，即使数组以某种方式是可分配的，我们也会有大量的类型不匹配。同样(从您的示例中)如果我们尝试编写

a = f();

在函数 f() 的定义中，我们有

char ret[10];
/* ... fill ... */
return ret;

就好像最后一行说

return &ret[0];

同样，我们没有要返回并分配给 a 的数组值，只有一个指针。
(在函数调用示例中，我们还遇到了一个非常重要的问题，即 ret 是一个本地数组，尝试在 C 中返回是危险的。稍后将详细介绍这一点。)
现在，您的问题的一部分可能是“为什么是这样？”，以及“如果您不能分配数组，为什么您可以分配包含数组的结构？”
以下是我的解释和我的观点，但它与丹尼斯·里奇在他的论文 The Development of the C Language 中描述的内容一致。
数组的不可分配性源于三个事实:

C 旨在在语法和语义上接近机器硬件。 C 语言中的基本操作应该编译为一个或几个机器指令，需要一个或几个处理器周期。

数组一直很特别，尤其是它们与指针的关系；这种特殊关系源自 C 的前身语言 B 中对数组的处理，并深受其影响。

结构最初不在 C 中。

由于第 2 点，不可能分配数组，而由于第 1 点，无论如何都不可能，因为单个赋值运算符 = 不应扩展为可能需要 N 千个周期来复制 N 千个元素数组的代码.
然后我们到了第 3 点，这最终导致了矛盾。
当 C 获得结构时，它们最初也不是完全一流的，因为您无法分配或返回它们。但你不能这样做的原因很简单，第一个编译器起初不够聪明，无法生成代码。没有语法或语义障碍，就像数组一样。
一直以来的目标都是建筑一流，而且这个目标实现的比较早。编译器 catch 了，并学会了如何发出代码来分配和返回结构，大约在 K&R 第一版即将出版的时候。
但问题仍然存在，如果一个基本操作应该编译为少量指令和周期，为什么该参数不允许结构赋值？答案是，是的，这是一个矛盾。
我相信(虽然这更多是我的猜测)这种想法是这样的:“一流的类型是好的，二等的类型是不幸的。我们被困在数组的二等地位，但我们可以用结构体做得更好。无昂贵代码规则并不是真正的规则，它更像是一个准则。数组通常很大，但结构体通常很小，几十或几百个字节，因此分配它们不会通常太贵了。”
因此，无昂贵代码规则的一致应用被搁置了。无论如何，C 从来都不是完全规则或一致的。 (就此而言，绝大多数成功的语言也不是人类的，也不是人工的。)
说了这么多，也许值得一问，“如果 C 确实支持分配和返回数组怎么办？这会如何工作？”答案必须涉及关闭表达式中数组的默认行为的某种方式，即它们倾向于变成指向其第一个元素的指针。
早在 90 年代的某个时候，IIRC 就有一个经过深思熟虑的提议来做到这一点。我认为它涉及在 [ ] 或 [[ ]] 或其他东西中包含一个数组表达式。今天我似乎找不到任何提及该提案的内容(尽管如果有人可以提供引用，我将不胜感激)。无论如何，我相信我们可以通过以下三个步骤扩展 C 以允许数组分配:

取消禁止在赋值运算符的左侧使用数组。

取消禁止声明数组值函数。回到最初的问题，使 char f(void)[8] { ... } 合法。

(这是大问题。)有一种方法可以在表达式中提及数组，并以数组类型的真实可分配值(右值)结束。为了论证起见，我将假设一个名为 arrayval( ... ) 的新运算符或伪函数。

【旁注:今天我们有一个“key definition”的数组/指针对应关系，即:

A reference to an object of array type which appears in an expression decays (with three exceptions) into a pointer to its first element.

三个异常(exception)是当数组是 sizeof 运算符或 & 运算符的操作数，或者是字符数组的字符串文字初始值设定项时。在我在这里讨论的假设修改下，会有第四个异常(exception)，即当数组是这个新的 arrayval 运算符的操作数时。]
不管怎样，有了这些修改，我们就可以写出类似的东西

char a[8], b[8] = "Hello";
a = arrayval(b);

(显然，如果 a 和 b 的大小不同，我们还必须决定该怎么做。)
给定函数原型(prototype)

char f(void)[8];

我们也可以

a = f();

让我们看看 f 的假设定义。我们可能有类似的东西

char f(void)[8] {
    char ret[8];
    /* ... fill ... */
    return arrayval(ret);
}

请注意(除了假设的新 arrayval() 运算符)这与 Dario Rodriguez 最初发布的内容有关。还要注意 - 在数组分配合法的假设世界中，并且存在 arrayval() 之类的东西 - 这实际上会起作用!特别是，它不会遇到返回一个即将无效的指向本地数组 ret 的指针的问题。它会返回一个数组的副本，所以根本没有问题——它几乎完全类似于明显合法的

int g(void) {
    int ret;
    /* ... compute ... */
    return ret;
}

最后，回到“还有其他二等类型吗？”的附带问题，我认为函数(如数组)在不被用作自身时会自动获取其地址(即，作为函数或数组)，并且同样没有函数类型的右值。但这主要是一种空闲的思考，因为我认为我从未听说过在 C 中被称为“二等”类型的函数。(也许他们听说过，但我已经忘记了。)

脚注:因为编译器愿意分配结构，并且通常知道如何为此发出有效的代码，所以它曾经是一种比较流行的技巧，即选择编译器的结构复制机制以从 a 点复制任意字节点b。特别是，您可以编写这个看起来有些奇怪的宏:

#define MEMCPY(b, a, n) (*(struct foo { char x[n]; } *)(b) = \
                         *(struct foo *)(a))

其行为或多或少与 memcpy() 的优化内联版本完全相同。 (事实上​​，这个技巧今天仍然可以在现代编译器下编译和工作。)