深入理解计算机系统（3.8）------数组分配和访问
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2021-04-13 03:52
上一篇博客我们讲解了汇编语言中过程（函数）的调用实现。理解数据如何在调用者和被调用者之间传递，以及在被调用者当中局部变量内存的分配以及释放是最重要的。那么这篇博客我们将讲解数组的分配和访问。
1、数组的基本原则
我们知道数组是某种基本数据类型数据的集合，对于数据类型 T 和整型常数 N，数组的声明如下：
T A[N]
上面的 A 称为数组名称。它有两个效果：
①、它在存储器中分配一个 L*N 字节的连续区域，这里 L 是数据类型 T 的大小（单位为字节）
②、A 作为指向数组开头的指针，如果分配的连续区域的起始地址为 xa，那么这个指针的值就是xa
即当我们用 A[i] 去读取数组元素的时候，其实我们访问的是 xa+i*sizeof(T)。sizeof(T)是获得数据类型T的占用内存大小，以字节为单位，比如如果T为int，那么sizeof(int)就是4。因为数组的下标是从0开始的，当 i等于0时，我们访问的地址就是 xa
比如对于如下数组声明：
char A[12];
char *B[8];
double C[6];
double *D[5];
我们可以得到如下信息：注意由于B和D都是声明的数组，在IA32中，指针变量占用4个字节的内存空间。
在比如如下代码：
#include <stdio.h>
int main(){
int a[10];
int i ;
for(i = 0 ; i < 10 ; i++){
printf("%d\n",&a[i]);
}
printf("数组大小为:%d\n",sizeof(a));
return 0;
}
打印结果为：
从上面的我们也可以看出来，起始地址为 6356736，即a[0]的地址，往后面访问依次增加4个字节。
在IA32中，存储器引用指令可以用来简化数组访问。比如对于上面的 int a[10]，我们想访问 a[i]，这时候 a 的地址存放在寄存器 %edx 中，而 i 存放在寄存器 %ecx 中。然后指令计算如下：
movl (%edx,%ecx,4), %eax
这会执行地址计算 xa+4i，读取这个存储器位置的值，并把结果存放在寄存器%eax中。
2、指针运算
C语言允许对指针进行运算，而计算出来的值会根据该指针引用的数据类型的大小进行伸缩。
也就是说，如果 P 是一个执行类型 T 的数据的指针，P 的值为 xp,那么表达式P+i 的值为 xp+L*i，这里 L 是数据类型T的大小。
假设整型数组 E 的起始地址和整数索引 i 分别存放在寄存器 %edx 和 %ecx 中，下面是每个表达式的汇编代码实现，结果存放在 %eax 中。
上面例子中，leal 指令用来产生地址，而 movl 用来引用存储器（除了第一种和最后一种情况，前者是复制一个地址，后者是复制索引）；最后一个例子说明可以计算同一个数据类型结构中的两个指针之差，结果值是除以数据类型大小后的值。
3、数组的嵌套
也就是数组的数组，比如二维数组 int A[5][3]。这个时候上面所讲的数组的分配和引用也是成立的。
对于数组 int A[5][3]，如下表示：
我们可以将 A 看成是一个有 5 个元素的数组，而每个元素都是 3 个 int 类型的数组。
4、定长数组和变长数组
要理解定长和变长数组，我们必须搞清楚一个概念，就是说这个“定”和“变”是针对什么来说的。在这里我们说，这两个字是针对编译器来说的，也就是说，如果在编译时数组的长度确定，我们就称为定长数组，反之则称为变长数组。
比如int A[10]，就是一个定长数组，它的长度为10，它的长度在编译时已经确定了，因为长度是一个常量。之前的C编译器不允许在声明数组时，将长度定义为一个变量，而只能是常量，不过当前的C/C++编译器已经开始支持动态数组，但是C++的编译器依然不支持方法参数。另外，C语言还提供了类似malloc和calloc这样的函数动态的分配内存空间，我们可以将返回结果强转为想要的数组类型。
对于如下程序：
int main(){
int a[5];
int i,sum;
for(i = 0 ; i < 5; i++){
a[i] = i * 3;
}
for(i = 0 ; i < 5; i++){
sum += a[i];
}
return sum;
}
我们加上 -O0 -S 变成汇编代码：
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp//到此准备好栈帧
subl $32, %esp//分配32个字节的空间
leal -20(%ebp), %edx//将帧指针减去20赋给%edx寄存器
movl $0, %eax//将%eax设置为0，这里的%eax寄存器是重点
.L2:
movl %eax, (%edx)//将0放入帧指针减去20的位置？
addl $3, %eax//第一次循环时，%eax为3，对于i来说，%eax=(i+1)*3。
addl $4, %edx//将%edx加上4，第一次循环%edx指向帧指针-16的位置
cmpl $15, %eax//比较%eax和15？
jne .L2//如果不相等的话就回到L2
movl -20(%ebp), %eax//下面这五句指令已经出卖了leal指令，很明显从-20到-4，就是数组五个元素存放的地方。下面的就不解释了，直接依次相加然后返回结果。
addl -16(%ebp), %eax
addl -12(%ebp), %eax
addl -8(%ebp), %eax
addl -4(%ebp), %eax
leave
ret
指令上面的注释已经很清楚了，下面我们看看循环过程是怎么计算的：
看了这个图相信各位更加清楚程序的意图了，开始将%ebp减去20是为了依次给数组赋值。这里编译器用了非常变态的优化技巧，那就是编译器发现了a[i+1] = a[i] + 3的规律，因此使用加法（将%eax不断加3）代替了i3的乘法操作，另外也使用了加法（即地址不断加4，而不使用起始地址加上索引乘以4的方式）代替了数组元素地址计算过程中的乘法操作。而循环条件当中的i<5，也变成了3i<15，而3*i又等于a[i]，因此当整个数组当中循环的索引i，满足a[i+1]=15（注意，在循环内的时候，%eax一直储存着a[i+1]的值，除了刚开始的0）的时候，说明循环该结束了，也就是coml和jne指令所做的事。
弄清楚了定长数组，下面我们在看看变长数组。在GCC版本支持的 ISO C99中，允许数组的维度是表达式，在数组被分配的时候才计算出来。比如下面这个函数：
int var_ele(int n,int A[n][n],int i,int j)
{
return A[i][j];
}
产生的汇编代码如下：
如上图所示，在计算元素 i,j的地址为xa+4(n*i+j)。这个计算类似于定长数组的地址计算，不同的是：
①、由于加上了参数n，参数在栈上的地址移动了
②、用了乘法指令计算n*i（第4行），而不是leal指令计算3i。
因此引用变长数组只需要对定长数组做一点改动，动态的版本必须用乘法指令对i扩展n倍，而不能用一系列的移位和加法。在一些处理器中，乘法指令会消耗很长的指令周期，但是在这种情况下是不可避免的。
