彻底弄懂为什么不能把栈上分配的数组（字符串）作为返回值

背景

最近准备从 C 语言零基础到 PHP 扩展开发实战，案例的过程中准备了如下代码碎片，演示解析http scheme

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char *parse_scheme(const char *url)
{
    char *p = strstr(url,"://");
    return strndup(url,p-url);
}

int main()
{
    const char *url = "http://static.mengkang.net/upload/image/2019/0907/1567834464450406.png";
    char *scheme = parse_scheme(url);
    printf("%s\n",scheme);
    free(scheme);
    return 0;
}

上面是通过strndup的方式，背后也依托了malloc，所以最后也需要free。
有人在微信群私信parse_scheme能用char []来做返回值吗？我们知道栈上的数组也能用来存储字符串，那我们可以改写成下面这样吗？

char *parse_scheme(const char *url)
{
    char *p = strstr(url,"://");
    long l = p - url + 1;
    char scheme[l];
    strncpy(scheme, url, l-1);
    return scheme;
}

大多数人都知道不能这样写，因为返回的是栈上的地址，当从该函数返回之后，那段栈空间的操作权也释放了，当再次使用该地址的时候，值就是不确定的了。

那我们今天就一起探讨下出现这样情况的背后的真正原理。

基础预备

每个函数运行的时候因为需要内存来存放函数参数以及局部变量等，需要给每个函数分配一段连续的内存，这段内存就叫做函数的栈帧（Stack Frame）。
因为是一块连续的内存地址，所以叫帧；为什么叫要加一个栈呢？
想必大家都熟悉了函数调用栈，为什么叫函数调用栈呢？比如下面的表达式

array_values(explode(",",file_get_contents(...)));

函数的执行顺序是最内层的函数最先执行，然后依次返回执行外层的函数。所以函数的执行就是利用了栈的数据结构，所以就叫栈帧。

x86_64 cpu上的 rbp 寄存器存函数栈底地址，rsp 寄存器存函数栈顶地址。

实验

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
    int i;
    printf("%d\n", i);
    i = 666;
}

int main(void)
{
    foo();
    foo();
    return 0;
}

$gcc -g 2.c

$./a.out
0
666

为什么第二次调用foo函数输出的结果都是上次函数调用的赋值呢？先看下反汇编之后的代码

000000000040052d <foo>:
#include <stdio.h>

void foo(void)
{
  40052d:    55                       push   %rbp
  40052e:    48 89 e5                 mov    %rsp,%rbp
  400531:    48 83 ec 10              sub    $0x10,%rsp
    int i;
    printf("%d\n", i);
  400535:    8b 45 fc                 mov    -0x4(%rbp),%eax
  400538:    89 c6                    mov    %eax,%esi
  40053a:    bf 00 06 40 00           mov    $0x400600,%edi
  40053f:    b8 00 00 00 00           mov    $0x0,%eax
  400544:    e8 c7 fe ff ff           callq  400410 <printf@plt>
    i = 666;
  400549:    c7 45 fc 9a 02 00 00     movl   $0x29a,-0x4(%rbp)
}
  400550:    c9                       leaveq
  400551:    c3                       retq

0000000000400552 <main>:

int main(void)
{
  400552:    55                       push   %rbp
  400553:    48 89 e5                 mov    %rsp,%rbp
    foo();
  400556:    e8 d2 ff ff ff           callq  40052d <foo>
    foo();
  40055b:    e8 cd ff ff ff           callq  40052d <foo>
    return 0;
  400560:    b8 00 00 00 00           mov    $0x0,%eax
}
  400565:    5d                       pop    %rbp
  400566:    c3                       retq
  400567:    66 0f 1f 84 00 00 00     nopw   0x0(%rax,%rax,1)
  40056e:    00 00

理论分析

第一次进入 foo函数前后

在进入foo函数之前，因为main里没有参数也没有局部变量，所以，main 的栈帧的长度就是0，rbp和rsp相等（0x7fffffffe2c0）。当执行

callq  40052d <foo>

会把main函数的在调用foo之后需要返回执行的下一行代码的地址压栈，因为是64位机器，地址8字节。
进入foo之后

push   %rbp

把rbp的值压栈，因为也是存的地址，所以又占了8字节，所以当初始化foo函数的rbp的时候

mov    %rsp,%rbp

rsp已经在原来的基础上加了16字节，所以从0x7fffffffe2c0变成了0x7fffffffe2b0。

sub    $0x10,%rsp

因为foo函数里面局部变量，编译的时候就预留了16字节，所以rsp变为了0x7fffffffe2a0
最后执行了

movl   $0x29a,-0x4(%rbp)

将666放在了0x7fffffffe2ac，当第二次调用的时候，打印i的汇编代码如下

    printf("%d\n", i);
  400535:    8b 45 fc                 mov    -0x4(%rbp),%eax
  400538:    89 c6                    mov    %eax,%esi
  40053a:    bf 00 06 40 00           mov    $0x400600,%edi
  40053f:    b8 00 00 00 00           mov    $0x0,%eax
  400544:    e8 c7 fe ff ff           callq  400410 <printf@plt>

第二次进入 foo函数前后

因为上次-0x4(%rbp)存了666，而第二次调用foo的rbp的值又和第一次一样，所以是一个地址。所以666就被打印出来了。

回到主题

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char *parse_scheme(const char *url)
{
    char *p = strstr(url,"://");
    long l = p - url + 1;
    char scheme[l];
    strncpy(scheme, url, l-1);
    printf("%s\n",scheme);
    return scheme;
}

int main()
{
    const char *url = "http://static.mengkang.net/upload/image/2019/0907/1567834464450406.png";
    char *scheme = parse_scheme(url);
    printf("%s\n",scheme);

    return 0;
}

调试信息如下，当从parse_scheme返回时，打印scheme的结果还是http，但是当我们调用printf之后，和上面样例中一样，parse_scheme出栈，printf入栈，则栈上内存就又替换了，所以打印出来的结果则不一定是http了。