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C言語初学者です。

以下のように、int で変数を用意して、double の入力変換指定子で値を入力し、double の入力変換指定子で値を出力した場合、なぜ 0.000000 になるのか疑問に思っています。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int data;
    scanf("%lf", &data); // 実数入力
    printf("%f\n", data);
    return 0;
}

上記が誤ったコード(intdata を定義しているのが悪い)であることは理解しているのですが、挙動の理解をしたいと思っています。

dataint でメモリ確保されているので、そこに double で入力するとメモリが後ろにあふれてしまっているのかなと想像しているのですが、それだと printf の際になぜ 0.000000 となるのか説明できないなと悩んでいます(それだと意味不明な数値の羅列になりそうな気がしていました)。

コンパイラは gcc (MinGW.org GCC Build-2) 9.2.0 です。
よろしくお願いします。

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  • 3
    そもそも未定義動作なので、結果は予測できません。環境、コンパイラ、最適化オプションで結果が変わる可能性がありますし、あまり追及する意味もないかなと思います。[Old New Thing: 未定義動作はタイムトラベルを引き起こす] cpplover.blogspot.com/2014/06/old-new-thing.html
    – radian
    Commented 2022年2月28日 1:03
  • ja.cppreference.com/w/c/io/fprintf ... - 表示するデータを指定する引数。 デフォルト変換後のいずれかの引数が対応する変換指定子の期待する型でない場合、または format が要求するより少ない引数しかない場合、動作は未定義です。 format が要求するより多くの引数がある場合、余分な引数は評価され、無視されます
    – radian
    Commented 2022年2月28日 1:04

3 件の回答 3

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gcc (MinGW.org GCC Build-2) 9.2.0とのことで、32bit Windows(64bit Windowsだとしても32bit実行ファイルが作成・実行される)でしょうか。C言語では、データ型のサイズを具体的に定めていないため、環境によって異なります。そのため、質問のように意図的にデータ型を誤った場合、環境ごとのサイズに応じた挙動を示します。

その上で、32bit Windowsにおいては想像されている通りです。意味不明な数値の羅列になり得ます。

printf()を呼び出す際にdataをスタックに格納します。dataは32bit int型なのでスタックには32bitしか書き込まれていません。しかし呼び出されたprintf()%fの指示により64bit倍精度浮動小数点数と解釈して読み取ります。このため、スタックに格納されたdataの隣32bit分を読み出そうとします。

0         1         2         3         4         5         6
0123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123
<-------------------- fraction --------------------><-exponent>S
<---------- int data ----------><----------- 未初期化 ---------->
※ S = sign

この図の状況で、int dataに何が格納されていようが、表示する精度を上げない限り表示には使われません。それよりもprintfには渡していない未初期化部分が

  • 符号部 1ビット
  • 指数部 11ビット
  • 仮数部 上位20ビット

に当たり表示内容を決定づけています。

短いテストプログラムですし、スタックが汚れておらず未初期化部分が偶然0で埋められていたのだと思います。結果的に倍精度浮動小数点数として0.000000と解釈できるビット列になっただけです。

ちなみに、意図的にdataの隣にも別の値を書き込むと表示が変化することを確認できるかと思います。

for (int i = 0; i < 32; i++)
  printf("i = %d, %f\n", i, data, 1 << i);

を手元のVisual C++で実行したところ、次のような出力が得られました。

i = 0, 0.000000
i = 1, 0.000000
i = 2, 0.000000
i = 3, 0.000000
i = 4, 0.000000
i = 5, 0.000000
i = 6, 0.000000
i = 7, 0.000000
i = 8, 0.000000
i = 9, 0.000000
i = 10, 0.000000
i = 11, 0.000000
i = 12, 0.000000
i = 13, 0.000000
i = 14, 0.000000
i = 15, 0.000000
i = 16, 0.000000
i = 17, 0.000000
i = 18, 0.000000
i = 19, 0.000000
i = 20, 0.000000
i = 21, 0.000000
i = 22, 0.000000
i = 23, 0.000000
i = 24, 0.000000
i = 25, 0.000000
i = 26, 0.000000
i = 27, 0.000000
i = 28, 0.000000
i = 29, 0.000000
i = 30, 2.000000
i = 31, -0.000000

なお、MinGW-w64など64bit Windowsやmetropolisさんが説明されている64bit Linuxにおいてはまた異なる挙動になります。
64bit Windowsおよび64bit Linuxにおいては、32bit int型をスタックに格納する際、64bit領域を使います。この際の未使用の32bit部分はゼロクリアされます。
printf()はこの64bit領域を倍精度浮動小数点数として読み取ろうとしますが、ゼロクリアされた未使用の32bit部分は

  • 符号部 1ビット = 0
  • 指数部 11ビット = 0
  • 仮数部 上位20ビット = 0
  • 仮数部 下位32ビット = dataの値

に該当し、「指数部、仮数部ともに 0 のときは ±0 を表す」が適用されるため、常に0.000000が表示されます。

前述のコードについても、64bitではdataの隣に1 << iを書き込んでいますが説明の通り参照されないため、

i = 0, 0.000000
i = 1, 0.000000
i = 2, 0.000000
i = 3, 0.000000
i = 4, 0.000000
i = 5, 0.000000
i = 6, 0.000000
i = 7, 0.000000
i = 8, 0.000000
i = 9, 0.000000
i = 10, 0.000000
i = 11, 0.000000
i = 12, 0.000000
i = 13, 0.000000
i = 14, 0.000000
i = 15, 0.000000
i = 16, 0.000000
i = 17, 0.000000
i = 18, 0.000000
i = 19, 0.000000
i = 20, 0.000000
i = 21, 0.000000
i = 22, 0.000000
i = 23, 0.000000
i = 24, 0.000000
i = 25, 0.000000
i = 26, 0.000000
i = 27, 0.000000
i = 28, 0.000000
i = 29, 0.000000
i = 30, 0.000000
i = 31, 0.000000

となります。


metropolisさんが説明されている64bit Linuxの場合、int dataが64bitになるので更に異なる挙動を示しますね。

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data は int でメモリ確保されているので、そこに double で入力するとメモリが後ろにあふれてしまっているのかなと想像しているのですが、

glibc scanf(3) の実装は以下の様になっています(long double * へ cast)。なので、その通りです。

glibc/stdio-common/vfscanf-internal.c

if ((flags & LONGDBL) \
    && __glibc_likely ((mode_flags & SCANF_LDBL_IS_DBL) == 0))
  {
    long double d = __strtold_internal
      (char_buffer_start (&charbuf), &tw, flags & GROUP);
    if (!(flags & SUPPRESS) && tw != char_buffer_start (&charbuf))
      *ARG (long double *) = d;
  }

それだと printf の際になぜ 0.000000 となるのか説明できないなと悩んでいます

data への pointer(int *型)を long double * に cast して dereference すれば入力した値(float の値)が表示されます(stack を踏み抜きますが)。

ではなぜ %f を指定すると 0.000000表示されるのか、に関しては以下の warning message と printf(3) のソースコード(glibc/stdio-common/vfprintf-internal.c)を眺めると判るかと思います。

サンプルコード

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

int main(void)
{
  int data;
  scanf("%lf", &data); // 実数入力

  printf("as is: %d\n", data);
  printf("as double: %f\n", data);
  printf("cast to double: %f\n", (double)data);
  printf("cast to double type pointer: %f\n", *(double * )&data);

  printf("woops!: %f\n", 0, data);

  return 0;
}

実行結果

$ uname -isr
Linux 5.15.0-18-generic x86_64
$ gcc --version
gcc (Ubuntu 11.2.0-16ubuntu1) 11.2.0
$ /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
GNU C Library (Ubuntu GLIBC 2.35-0ubuntu1) stable release version 2.35.

$ gcc -Wall -Wextra x.c -o x
x.c: In function ‘main’:
x.c:7:12: warning: format ‘%lf’ expects argument of type ‘double *’, but argument 2 has type ‘int *’ [-Wformat=]
    7 |   scanf("%lf", &data); // 実数入力
      |          ~~^   ~~~~~
      |            |   |
      |            |   int *
      |            double *
      |          %d
x.c:10:23: warning: format ‘%f’ expects argument of type ‘double’, but argument 2 has type ‘int’ [-Wformat=]
   10 |   printf("as double: %f\n", data);
      |                      ~^     ~~~~
      |                       |     |
      |                       |     int
      |                       double
      |                      %d
x.c:14:20: warning: format ‘%f’ expects argument of type ‘double’, but argument 2 has type ‘int’ [-Wformat=]
   14 |   printf("woops!: %f\n", 0, data);
      |                   ~^     ~
      |                    |     |
      |                    |     int
      |                    double
      |                   %d
x.c:14:10: warning: too many arguments for format [-Wformat-extra-args]
   14 |   printf("woops!: %f\n", 0, data);
      |          ^~~~~~~~~~~~~~

$ ./x
1.234
as is: -927712936
as double: 0.000000
cast to double: -927712936.000000
cast to double type pointer: 1.234000
woops!: 1.234000
*** stack smashing detected ***: terminated
Aborted (core dumped)

※ stack protector が有効になっているので異常終了します。

という訳で、Fushihara さんの回答はある意味で正しいと言えます(多少説明不足かな、とは思いますが……)。

1
  • 質問にあるMinGW.org GCCとは別環境に対する解説であれば、その旨を宣言すべきかと思います。
    – sayuri
    Commented 2022年2月27日 11:16
-2

キーボードの入力とかは関係なく、intの0を%fで指定したから0.000000と表示されています。
printf("%f\n", 0);と書いたのと同じです。

1
  • キーボードの入力により、壊れているとはいえdataには何らかの値が格納されます。にもかかわらずprintf()は常に0.000000を出力するのはなぜか?という質問のようですので、「intの0を%fで指定したから」は成立していないと思います。
    – sayuri
    Commented 2022年2月27日 13:36

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