C言語のローカル変数はいつどこにできるのでしょうか

Question

gcc4.8.5使用です。
以下のコード

#include <stdio.h>

int a(){
    int x;
    printf("aのx=%d &x=%p\n",x,&x);
}
int b(){
    int x;
    printf("bのx=%d &x=%p\n",x,&x);
}

int main(void){
    printf("&a=%p\n",&a);
    printf("&b=%p\n",&b);
    a();
    b();
    a();
return 0;
}

を実行してみたところ、
&a=0x561d9f4ec6aa
&b=0x561d9f4ec6f2
aのx=22045 &x=0x7fff1c391c84
bのx=22045 &x=0x7fff1c391c84
aのx=22045 &x=0x7fff1c391c84
と表示されました。
質問1：
以下の解釈で合っていますでしょうか？
(1)関数a(),b()内のローカル変数xは関数呼び出し時に生成されるのではなく、同じアドレスを使いまわしている。
(2)関数a(),b()はプログラムがロードされたときに固定したアドレスに配置されている。
質問２：
上記解釈の(1)に関連した質問として、a(),b()内のローカル変数xはいつ生成されたのでしょう。
関数a()のアセンブルは以下のようですが、どこでローカル変数xが生成されているのでしょうか？

a:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        lea     rdx, [rbp-4]
        mov     esi, eax
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        mov     eax, 0
        call    printf
        leave
        ret

Answer 1

言語仕様にはローカル変数をどこにどう作るかなんて一言も書いてなく、コンパイラ屋の勝手です。
※ とはいえほとんどの処理系(コンパイラ)はスタック上にローカル変数を確保しますが。

Comments

[teireken]

スタックを使うには利点があるからなのでしょうね。勉強します！

Answer 2

関数a(),b()内のローカル変数xは関数呼び出し時に生成されるのではなく、同じアドレスを使いまわしている。

結果的には使い回されていますが、まあ一般的には関数呼び出し時に生成(という言い方も語弊があるが)されていると解釈されるのではないかと思います。

関数a(),b()はプログラムがロードされたときに固定したアドレスに配置されている。

違います。関数が呼び出されるたびに配置…といいますか、アドレスが決まります。

a(),b()内のローカル変数xはいつ生成されたのでしょう。
どこでローカル変数xが生成されているのでしょうか？

「生成」というものがおそらくあなたの思っているようなものと違います。
今回のようなプログラムをコンパイルして実行する間に行われることは次のようなものです。

・コンパイル時、ローカル変数を(スタックポインタからの相対値で)どこに置くかを決める。「置く」というのは、より正確に言うと、「どのメモリ番地のメモリを当該変数として使うかを決め、その番地を読み書きする機械語を生成することにする」ということです。
・コンパイル時、変数の場所として決めた場所をその変数として読み書きする機械語を生成する。
・実行時、関数に入るとスタック上の決められた場所を読み書きする機械語が実行され、その場所が読み書きされる。
・なお、「スタック上の決められた場所を読み書きする」際には大抵、「「「とあるレジスタ(=スタックポインタ)の値」に固定値を加算して生成された値」で指定されたアドレスに対して読み書きする」機械語が使われます。

さてどこがローカル変数の「生成」かですが、よく分かりません。スタックポインタをずらしてローカル変数分の空きを作るのが「生成」でしょうかね。
高級言語で考えているような概念と実際に機械語が動いている原理は異なるのであまりはっきりと対応付けすることはできないのではないかと思っています。

Answer 3

既に回答が付いていますが、

言語仕様にはローカル変数をどこにどう作るかなんて一言も書いてなく、コンパイラ屋の勝手です。

とは言うものの、全てがスタックではなく、レジスタの場合もあります。(特に組込み系) この場合、使いまわされて、同じレジスタが、前半では、X という変数を意味するが、後半では、Y という変数になる事も。
(ただし、アドレスを取ると、スタックとかの場所に置かれる)

あと、固定領域に置かれた場合、再帰呼出し時に大変な事(面倒な処理)になります。そういう意味でもスタックに置くのが楽。

Comments

[teireken]

なるほど！
>>あと、固定領域に置かれた場合、再帰呼出し時に大変な事(面倒な処理)になります。そういう意味でもスタックに置くのが楽

Answer 4

ローカル変数は関数の呼び出し時にスタックにその領域が確保されます
ということで、たまたまアドレスが一緒になることはありますが、それだけの話しです

質門1　間違ってます

質門2

push rbp

    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16

ここでrspに１６減算してます。
これがローカル変数領域になるんですね
どういう動作になるか自分で追っかけてみましょうねっ

Comments

[teireken]

>>どういう動作になるか自分で追っかけて
そうですね。自分でできるようになりたいです。
具体的には、デバッガgdbを使えばできるのでしょうか？やってみます。
あと、異なる内容の質問が混じってしまいましたが、質問1の
「(2)関数a(),b()はプログラムがロードされたときに固定したアドレスに配置されている。」
のほうはあっているでしょうか？

[y_waiwai]

ああ、関数自体のアドレスなら固定ですね

[y_waiwai]

スタックというのが何か、スタックポインタというのはどういうふうに動作するのか、を調べてみましょう。
そこらへんを理解しないとローカル変数はややこしいですね

[teireken]

なるほど！そういえば、スタックってどこにあるのか、知りませんでした。
メモリ内の特別な領域・・・空想です

Answer 5

次のプログラムを調査してみてください。
main での a(),b() 呼び出し時と、 subX()/subZ() での a(), b() の結果が異なっています。
subX() と subY() での a(), b() の結果は同じです。

関数呼び出しするとスタックの状態が変わるし、
関数中でのローカル変数の有無でもスタックの状態が変わるからです。

a.c

#include <stdio.h>

void a() {
  int x;
  printf("aのx=%d &x=%p\n",x,&x);
}

void b() {
  int x;
  printf("bのx=%d &x=%p\n",x,&x);
}

void subX() {
  printf("subX\n");
  a();
  b();
}
void subY() {
  printf("subY\n");
  a();
  b();
}
void subZ() {
  int z[100];
  printf("subZ\n");
  a();
  b();
}

int main(void) {
  printf("&a=%p\n",&a);
  printf("&b=%p\n",&b);
  a();
  b();
  a();

  subX();
  subY();
  subZ();
  return 0;
}

実行例

参考情報

• ヒープとスタック

https://www.uquest.co.jp/embedded/learning/lecture16.html