使用 printf 的 %s 说明符打印 NULL 的行为是什么？

问题描述：

偶然发现一道有趣的面试题：

test 1:
printf("test %s
", NULL);
printf("test %s
", NULL);

prints:
test (null)
test (null)

test 2:
printf("%s
", NULL);
printf("%s
", NULL);
prints
Segmentation fault (core dumped)

虽然这在某些系统上运行良好，但至少我的系统会抛出分段错误。这种行为的最佳解释是什么？上面的代码是用 C 编写的。

以下是我的 gcc 信息：

deep@deep:~$ gcc --version
gcc (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3

解决方案 1：

首先要说的是：printf它的 %s 参数需要一个有效（即非 NULL）指针，因此向其传递 NULL 是正式未定义的。它可能会打印“(null)”，也可能会删除硬盘上的所有文件——就 ANSI 而言，这两种行为都是正确的（至少，Harbison 和 Steele 是这么告诉我的）。

话虽如此，这确实是很奇怪的行为。事实证明，当你执行如下简单操作时，会发生以下情况printf：

printf("%s
", NULL);

gcc 非常聪明，可以将其解构为对的调用
puts。第一个printf是这样的：

printf("test %s
", NULL);

非常复杂，因此 gcc 将改为发出对 real 的调用
printf。

（请注意，gcc 在编译时会发出有关无效printf参数的警告。这是因为它很久以前就开发了解析格式字符串的能力*printf。）

您可以通过使用该-save-temps选项进行编译，然后查看生成的.s文件来亲自查看这一点。

当我编译第一个例子时，我得到：

movl    $.LC0, %eax
movl    $0, %esi
movq    %rax, %rdi
movl    $0, %eax
call    printf      ; <-- Actually calls printf!

（评论是我添加的。）

但第二个产生了这个代码：

movl    $0, %edi    ; Stores NULL in the puts argument list
call    puts        ; Calls puts

请注意，这种优化是正确的，即它对有效字符串产生相同的结果；尤其是puts在字符串后打印换行符。

解决方案 2：

就 C 语言而言，原因在于您正在调用未定义的行为，并且任何事情都可能发生。

至于为什么会发生这种情况的机制，现代 gcc 优化`printf("%s
", x)为puts(x)，并且在看到空指针时puts没有打印愚蠢的代码，而常见的实现有这种特殊情况。由于 gcc 无法（通常）优化这样的非平凡格式字符串，因此实际上当格式字符串中包含其他文本时会被调用。(null)printfprintf`

解决方案 3：

（C99 或 C11）第 7.1.4 节规定：

§7.1.4 库函数的使用

¶1 除非在随后的详细描述中另有明确说明，否则以下每个语句均适用：如果函数的参数具有无效值（例如，函数域之外的值，或程序地址空间之外的指针，或空指针，或当相应参数不是 const 限定时指向不可修改存储的指针）或类型（提升后）不是具有可变数量参数的函数所期望的，则行为未定义。

由于规范printf()没有说明当您将空指针传递给说明符时会发生什么%s，因此行为明确未定义。（请注意，传递空指针以供说明符打印%p不是未定义的行为。）

这是家庭行为的“章节和诗句” fprintf()（C2011 — 在 C1999 中它是不同的章节编号）：

§7.21.6.1 fprintf 函数

s     如果没有l长度修饰符，则参数应是指向字符类型数组的初始元素的指针。[...]

     如果l存在长度修饰符，则参数应是指向 wchar_t 类型数组的初始元素的指针。

p     参数应为指向 void 的指针。指针的值将以实现定义的方式转换为打印字符序列。

转换说明符的规范s排除了空指针有效的可能性，因为空指针不指向相应类型数组的初始元素。p转换说明符的规范不要求 void 指针指向任何特定内容，因此 NULL 有效。

许多实现(null)在传递空指针时会打印字符串，但依赖这种善意是危险的。未定义行为的美妙之处在于，这种响应是允许的，但不是必需的。同样，崩溃是允许的，但不是必需的（更可惜的是——如果人们在一个宽容的系统上工作，然后移植到其他不那么宽容的系统上，就会受到伤害）。

解决方案 4：

指针NULL不指向任何地址，尝试打印它会导致未定义的行为。未定义意味着当编译器或 C 库尝试打印 NULL 时，由编译器或 C 库决定要做什么。