[Перевод] Каламбуры типизации функций в C14.08.2016 22:49

У C репутация негибкого языка. Но вы знаете, что вы можете изменить порядок аргументов функции в C, если он вам не нравится?

#include 
#include 

double  DoubleToTheInt(double base, int power) {
    return pow(base, power);
}

int main() {
    // приводим к указателю на функуцию с обратным порядком аргументов
    double (*IntPowerOfDouble)(int, double) =
        (double (*)(int, double))&DoubleToTheInt;

    printf("(0.99)^100: %lf \n", DoubleToTheInt(0.99, 100));
    printf("(0.99)^100: %lf \n", IntPowerOfDouble(100, 0.99));
}

Этот код на самом деле никогда не определяет функцию IntPowerOfDouble — потому что функции IntPowerOfDouble не существует. Это переменная, указывающая на DoubleToTheInt, но с типом, который говорит, что ему хочется, чтобы аргумент типа int шел перед аргументом типа double.

Вы могли бы ожидать, что IntPowerOfDouble примет аргументы в том же порядке, что и DoubleToTheInt, но приведет аргументы к другим типам, или что-то типа того. Но это не то, что происходит.

Попробуйте — вы увидите одинаковый результат в обоих строчках.

emiller@gibbon ~> clang something.c 
emiller@gibbon ~> ./a.out 
(0.99)^100: 0.366032 
(0.99)^100: 0.366032 

Теперь попробуйте изменить все int на float — вы увидите, что FloatPowerOfDouble делает что-то ещё более странное. Да,

double  DoubleToTheFloat(double base, float power) {
    return pow(base, power);
}

int main() {
    double (*FloatPowerOfDouble)(float, double) =
        (double (*)(float, double))&DoubleToTheFloat;

    printf("(0.99)^100: %lf \n", DoubleToTheFloat(0.99, 100));   // OK
    printf("(0.99)^100: %lf \n", FloatPowerOfDouble(100, 0.99)); // Упс...
}

выдает:

(0.99)^100: 0.366032 
(0.99)^100: 0.000000 

Значение во второй строке «даже не ошибочное» — если бы проблема была в перестановке аргументов, мы бы ожидали, что ответ будет 100^99 = 95.5, а не 0. Что происходит?

Примеры кода выше представляют каламбуры типизации функций(type punning of functions) — опасную форму «ассемблера без ассемблера» который никогда не должен использоваться на работе, рядом с тяжелой техникой или в сочетании с отпускаемыми по рецепту лекарствами. Эти примеры абсолютно логичны для тех, кто понимает код на уровне ассемблера — но, скорее всего, запутает всех остальных.

Я немного смухлевал — предположил, что вы запустите код на 64-битном x86 компьютере. На другой архитектуре этот фокус может не сработать. Хоть и считается, что у C бесконечное количество темных углов, поведение с аргументами int и double точно не является частью стандарта C. Это результат того, как вызываются функции на современных x86 машинах, и может быть использовано для изящных программистских трюков.

Если вы изучали C в университете, вы может быть помните, что аргументы передаются функции на стек. Вызывающий кладет аргументы на стек в обратном порядке, а функция считывает аргументы со стека.

По крайней мере, мне объяснили это именно так, но большинство компьютеров сегодня передают первые несколько аргументов прямо в регистры CPU. Таким образом функции не понадобиться читать из стека, что гораздо медленнее регистров.

Количество и расположение регистров, используемых для аргументов функций зависит от соглашения о вызовах (calling convention). У Windows одно соглашение — четыре регистра для значений с плавающей точкой и четыре регистра для указателей и целых чисел. у Unix другое соглашение, называющееся соглашение System V. В нём для аргументов с плавающей точкой предназначено восемь регистров и еще шесть — для указателей и целых чисел. (Если аргументы не влазят в регистры, то они отправляют по старому на стек.)

В C, заголовочные файлы существуют только чтобы сказать компилятору, куда класть аргументы функции, зачастую комбинируя регистры и стек. У каждого соглашения о вызовах есть свой алгоритм для расположения этих аргументов в регистрах и на стеке. Unix, например, очень агрессивен насчет разбивания структур и попыток уместить все поля в регистрах, в то время как Windows немного ленивее и просто передает указатель на большую структуру-параметр.

Но и в Windows, и в Unix, базовый алгоритм работает так:

• Аргументы с плавающей точкой расположены, по порядку, в регистрах SSE, обозначенных XMM0, XMM1 и т.д.
• Целые и указатели расположены, по порядку, в регистрах общего назначения, обозначенных RDX, RCX и т.д.

Давайте посмотрим, как передаются аргументы функции DoubleToTheInt.

Сигнатура функции такова:

  double  DoubleToTheInt(double base, int power);

Когда компилятор встречает DoubleToTheInt(0.99, 100), он располагает регистры так:

(Для простоты, я использую соглашение о вызовах Windows.) Если бы взамен была такая функция:

  double  DoubleToTheDouble(double base, double power);

Аргументы были бы расположены так:

Теперь вы, возможно, догадались, почему маленьких фокус из начала статьи работает. Рассмотрим следующую сигнатуру функции:

  double IntPowerOfDouble(int y, double x);

Вызывая IntPowerOfDouble(100, 0.99), компилятор расположит регистры так:

Другими словами, точно так же, как в DoubleToTheInt(0.99, 100)!
Из-за того, что скомпилированная функция понятия не имеет, как она была вызвана — только где в регистрах и на стеке ожидать свои аргументы — мы можем вызвать функцию с другим порядком аргументов приведя указатель на функцию к неверной (но ABI-совместимой) сигнатуре функции.

Фактически, пока целые аргументы и аргументы с плавающей точкой сохраняют порядок, мы можем перемешивать их как угодно, и расположение регистров будет одинаковым. То есть, у

double functionA(double a, double b, float c, int x, int y, int z);

будет такое же расположение регистров, как и у:

double functionB(int x, double a, int y, double b, int z, float c);

и такое же, как у:

double functionC(int x, int y, int z, double a, double b, float c);

Во всех трех случаях в регистрах будет:

Обратите внимание, что и аргументы двойной, и аргументы одинарной точности занимают регистры XMM —, но они не ABI-совместимы друг с другом. Поэтому, если вы помните второй пример кода в самом начале, причина по которой FloatPowerOfDouble вернул ноль (а не 95.5) в том, что компилятор расположил значение одинарной точности (32-битное) 100.0 в XMM0, и значение двойной точности (64-битное) 0.99 в XMM1 —, но вызываемая функция ожидала число двойной-точности в XMM0 и одинарной в XMM1. Из-за этого, экспонента притворилась мантиссой, биты мантиссы были обрезаны или приняты за экспоненту, и функция FloatPowerOfDouble возвела Очень Маленькое Число в степень Очень Большого Числа, получив ноль. Загадка решена.

Обратите внимание на ??? в таблицах выше. Значения этих регистров не определено — там может быть любое значение из предыдущих вычислений. Вызываемой функции не важно, что в них, и она может перезаписывать их во время исполнения.

Это создает интересную возможность — вдобавок к вызову функции с другим порядком аргументов, также можно вызвать функцию с другим количеством аргументов. Есть несколько причин, по которым можно захотеть сделать что-то настолько сумасшедшее.

Попробуйте это:

#include 
#include 

double  DoubleToTheInt(double x, int y) {
    return pow(x, y);
}

int main() {
    double (*DoubleToTheIntVerbose)(
            double, double, double, double, int, int, int, int) =
    (double (*)(double, double, double, double, int, int, int, int))&DoubleToTheInt;

      printf("(0.99)^100: %lf \n", DoubleToTheIntVerbose(
                                   0.99, 0.0, 0.0, 0.0, 100, 0, 0, 0));
      printf("(0.99)^100: %lf \n", DoubleToTheInt(0.99, 100));
}

Неудивительно, что в обеих строках одинаковый результат — все аргументы помещаются в регистры, и расположение регистров одинаковое.

Теперь начинается веселье. Мы можем определить новый «многословный» тип функции который может вызывать много разных типов функций, при условии что аргументы влазят в регистры и функцию возвращают один и тот же тип.

#include 
#include 

typedef double (*verbose_func_t)(double, double, double, double, int, int, int, int);

int main() {
    verbose_func_t verboseSin = (verbose_func_t)&sin;
    verbose_func_t verboseCos = (verbose_func_t)&cos;
    verbose_func_t verbosePow = (verbose_func_t)&pow;
    verbose_func_t verboseLDExp = (verbose_func_t)&ldexp;

    printf("Sin(0.5) = %lf\n",
        verboseSin(0.5, 0.0, 0.0, 0.0, 0, 0, 0, 0));
    printf("Cos(0.5) = %lf\n",
        verboseCos(0.5, 0.0, 0.0, 0.0, 0, 0, 0, 0));
    printf("Pow(0.99, 100) = %lf\n",
        verbosePow(0.99, 100.0, 0.0, 0.0, 0, 0, 0, 0));
    printf("0.99 * 2^12 = %lf\n",
        verboseLDExp(0.99, 0.0, 0.0, 0.0, 12, 0, 0, 0));
}

Такая совместимость типов удобна потому что мы можем, например, создать простой калькулятор, который отсылает к любой функции, которая принимает и возвращает числа двойной точности:

#include 
#include 
#include 
#include 

typedef double (*four_arg_func_t)(double, double, double, double);

int main(int argc, char **argv) {
    four_arg_func_t verboseFunction = NULL;
    if (strcmp(argv[1], "sin") == 0) {
        verboseFunction = (four_arg_func_t)&sin;
    } else if (strcmp(argv[1], "cos") == 0) {
        verboseFunction = (four_arg_func_t)&cos;
    } else if (strcmp(argv[1], "pow") == 0) {
        verboseFunction = (four_arg_func_t)&pow;
    } else {
        return 1;
    }
    double xmm[4];
    int i;
    for (i=2; i

emiller@gibbon ~> clang calc.c
emiller@gibbon ~> ./a.out pow 0.99 100
0.366032
emiller@gibbon ~> ./a.out sin 0.5
0.479426
emiller@gibbon ~> ./a.out cos 0.5
0.877583

double NoOp(double a) {
    return a;
}

int main() {
    double (*ReturnLastReturnValue)() = (double (*)())&NoOp;
    double value = pow(0.99, 100.0);
    double other_value = ReturnLastReturnValue();
    printf("Value: %lf   Other value: %lf\n" value, other_value);
}