C语言之返回局部变量

C语言之返回局部变量

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概述

题主在编写函数之时发现返回一个指针变量之时屡屡出现错误，后来发现其实是对内存的理解不足导致的，如今我将函数的返回细细梳理，以飨读者。

一、弄清楚几个概念

1.C语言的内存管理

动态区域

这里分为栈区（stack）与堆区（heap）：
栈区：函数的参数值，局部变量，例如在函数之中直接定义一个int型或者指针类型，那么在程序（函数）执行之时会为他们在栈区分配空间，但是程序（函数）结束之后就会被回收，也就是说这个时候访问他们会是无效的。
堆区：需要用动态内存分配函数malloc等函数从堆中申请一块内存空间，而与栈不同的是，堆的空间释放不是自动的，申请之后需要用free函数释放。

静态区域

这里分为bss段、data段、text段：
bss段：未初始化的全局变量、静态变量将其用零（或空指针）初始化
data段：已经初始化的全局变量、静态变量、常量数据
text段：存放cpu可执行的机器命令，由于程序经常被使用，防止其被修改，代码区通常是只读的。

2.局部变量的存储类型

auto（自动类型）:C语言规定，如果局部变量不作存储类型说明，则就为auto型，例如下面等价：

int a,b;
auto int a,b;

而这样的局部变量存储在动态区域的栈区之中

static（静态类型）：生命周期一直到程序结束，存储在静态区域的data段之中，也就是说，程序运行过程之中不会被回收，直到结束才会被回收。
register（寄存器类型）：由于与本篇关系不大，不做赘述。

二、实验说明局部变量的返回

1.环境

这里我用的是VS code和gcc编译环境。

2.返回局部变量的值（地址）

基本数据类型（int、long、double、char）：

int fun()
{
	int a=1,b=2,c;
	c=a+b;
	return c;
}

在主函数之中运行，可以得到正确结果，说明在函数之中直接返回局部变量的值是可以，这里大家基本都清楚就不在赘述。
然后我们再看看返回一个地址：

int *fun()
{
	int a=2,b=1,c;
	c=a+b;
	return &c;
}
int main()
{
	printf("%d",*(fun()));  //想要通过地址访问c的值
	return 0;
}

运行起来发现报错：address of local variable ‘c’ returned [-Wreturn-local-addr]
因为执行完函数fun之后fun中的局部变量都会被收回，所以这里主函数访问的其实是一个无效的地址。
然后我将定义c为静态局部变量：

int *fun()
{
	int a=2,b=1;
	static int c;
	c=a+b;
	return &c;
}
int main()
{
	printf("%d",*(fun()));  //想要通过地址访问c的值
	return 0;
}

可以看到定义为静态变量之后可以得出正确结果，因为执行fun之后c的空间并没有没收回，所以可以通过主函数访问地址。

3.数组与指针的情况

我们来看看数组：

char *fun()
{
    char st[]="kobe";
    return st;
}
int main()
{
    puts(fun());
    return 0;
}

结果与上面一样：address of local variable ‘c’ returned [-Wreturn-local-addr]
而在定义数组之前加上static就可以得出正确结果，请读者自行体会
我们来试试指针：

char *fun()
{
    char *p="kobe";
    return p;
}
int main()
{
    puts(fun());
    return 0;
}

结果:kobe
为什么在就可以得出正确结果呢？我的理解是：这个指针p保存的是一个有效的地址，我们知道，在这种情况下，"kobe"是一个字符串常量，是保存在data段的（详见上文），在运行过程中不会被回收，所以地址是有效的，反观数组的情况，虽然它们的赋值方式类似，但其实这个"kobe"是保存在数组自己所开辟的空间内的，也就是栈区，是会被收回的，在主函数中访问的就是无效的地址。
再看一个例子，这里我们引入参数

char *fun(char *st)
{
    char *p;
    p=st;
    sort(p,p+strlen(p));  //排序函数可自行编写
    return p;             //返回一个局部指针
}
int main()
{
    char st[]="edcba";
    puts(fun(st)); 
    return 0;
}

结果：abcde
得出了我们想要的结果，原因与上次类似，这个p虽然是局部变量，在函数结束后会被回收，但是它返回的地址是有效的（通过地址传递），在主函数中可以正确输出。

三、返回在堆中的局部变量

这里我们需要加入头文件stdlib.h,使用malloc函数从堆中申请一块空间：

int *fun()
{
    int *p;
    p=(int *)malloc(sizeof(int));
    *p=1;
    return p;
}
int main()
{
    printf("%d",*(fun()));
    return 0;
}

结果:1
可以看出得出了正确结果，但是不推荐这样做，因为我从堆中申请了一块空间之后并没有用free函数来释放，可能会造成内存泄露。
可以看出，在堆中申请的内存如果不手动释放，那在程序运行过程中是有效地址，我们可以通过指针进行访问。

总结

在返回局部变量中，如果返回的是一个值，那么就没有这么多复杂的情况，如果返回的是一个地址，那么我们就需要判断这个地址的有效性，再进行返回，否则就会出错。总的来说，函数的返回值其实归根结底就是C语言的内存管理问题，只要懂得C语言的内存管理，这些就十分简单。
以上内容皆实验中得来，如果有错误之处请广大读者多多指正。