C语言局部无终止符字符串打印异常：为何输出结果有差异？

代码与现象 #

带联合体的代码 #

#include <stdio.h>

union Data {
    char var1;
    char var2;
    char varArr[10];
};

int main() {
    union Data data;
    data.var1 = 'a';
    data.var2 = 'b';
    data.varArr[0] = 'c';
    char ctr[3];
    ctr[0] = data.var1;
    ctr[1] = data.var2;
    ctr[2] = data.varArr[0];
    printf("Result: %s\n", ctr);
    return 0;
}

• 题目预期输出为ccc，但ctr是无\0终止符的3字节数组，按printf("%s")的逻辑会读取到第一个\0才停止，本应输出随机内容，但实际多次运行始终输出ccc。
• 检查ctr[3]、ctr[4]等越界字节，发现通常为\0，偶尔是0x01这类小值，但输出仍为ccc。

简化后的代码 #

#include <stdio.h>

int main() {
    char ctr[3];
    ctr[0] = 'c';
    ctr[1] = 'c';
    ctr[2] = 'c';
    printf("Result: %s\n", ctr);
    return 0;
}

• 每次运行输出cccX（X为随机变化的垃圾值）。

内存布局层面的解释（基于gcc 13、64位x86-64架构） #

核心前提 #

x86-64架构下，栈内存从高地址向低地址增长，gcc默认按变量声明顺序从高到低分配局部变量（先声明的变量地址更高），同时栈帧需满足16字节对齐要求。

带联合体代码的栈布局 #

1. 联合体的内存特性：union Data的大小由最大成员varArr[10]决定，为10字节，且所有成员共享同一块内存的起始地址。因此data.var1、data.var2、data.varArr[0]指向同一个字节，最后赋值的data.varArr[0] = 'c'会覆盖之前的'a'和'b'，这是ctr三个元素均为'c'的原因。
2. 局部变量的分配顺序：
   • 先声明的data被分配在栈的高地址区域，占用10字节内存。
   • 后声明的ctr被分配在data的低地址侧，占用3字节内存。
   • 由于栈帧16字节对齐要求，编译器会在data和ctr之间或data末尾添加3字节填充，使总局部变量空间对齐到16字节。
3. 越界字节的来源：
   • ctr的越界字节（如ctr[3]）紧邻data的内存区域，这部分内存要么是编译器添加的填充字节（默认初始化为\0），要么是data中未被赋值的剩余字节（栈上未初始化内存通常残留小值，如0x01这类非打印ASCII字符）。
   • printf("%s")输出时，遇到\0会停止；遇到非打印字符时，终端不会显示，因此最终只呈现可见的ccc。

简化代码的差异 #

简化代码中没有data变量，ctr直接分配在栈帧中，其越界字节指向的是之前栈帧残留的随机数据，这些数据更可能包含可打印ASCII字符（如X），因此会被终端显示出来，形成cccX的输出。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者pnguib