深入理解C语言

深入理解C语言

Dennis Ritchie  过世了,他发明了C语言,一个影响深远并彻底改变世界的计算机语言。一门经历40多年的到今天还长盛不衰的语言,今天很多语言都受到C的影响,C++,Java,C#,Perl, PHP, Javascript, 等等。但是,你对C了解吗?相信你看过本站的《C语言的谜题》还有《谁说C语言很简单?》,这里,我再写一篇关于深入理解C语言的文章,一方面是缅怀Dennis,另一方面是告诉大家应该如何学好一门语言。(顺便注明一下,下面的一些例子来源于这个slides

首先,我们先来看下面这个经典的代码:

int main()
{
    int a = 42;
    printf(“%d\n”, a);
}

从这段代码里你看到了什么问题?我们都知道,这段程序里少了一个#include <stdio.h> 还少了一个return 0;的返回语句。

不过,让我们来深入的学习一下,

  • 这段代码在C++下无法编译,因为C++需要明确声明函数
  • 这段代码在C的编译器下会编译通过,因为在编译期,编译器会生成一个printf的函数定义,并生成.o文件,链接时,会找到标准的链接库,所以能编译通过。
  •  但是,你知道这段程序的退出码吗?在ANSI-C下,退出码是一些未定义的垃圾数。但在C89下,退出码是3,因为其取了printf的返回值。为什么printf函数返回3呢?因为其输出了’4′, ‘2’,’\n’ 三个字符。而在C99下,其会返回0,也就是成功地运行了这段程序。你可以使用gcc的 -std=c89或是-std=c99来编译上面的程序看结果。
  • 另外,我们还要注意main(),在C标准下,如果一个函数不要参数,应该声明成main(void),而main()其实相当于main(…),也就是说其可以有任意多的参数。

我们再来看一段代码:

#include <stdio.h>
void f(void)
{
   static int a = 3;
   static int b;
   int c;
   ++a; ++b; ++c;
   printf("a=%d\n", a);
   printf("b=%d\n", b);
   printf("c=%d\n", c);
}
int main(void)
{
   f();
   f();
   f();
}

这个程序会输出什么?

  • 我相信你对a的输出相当有把握,就分别是4,5,6,因为那个静态变量。
  • 对于c呢,你应该也比较肯定,那是一堆乱数。
  • 但是你可能不知道b的输出会是什么?答案是1,2,3。为什么和c不一样呢?因为,如果要初始化,每次调用函数里,编译器都要初始化函数栈空间,这太费性能了。但是c的编译器会初始化静态变量为0,因为这只是在启动程序时的动作。
  • 全局变量同样会被初始化。

说到全局变量,你知道 静态全局变量和一般全局变量的差别吗?是的,对于static 的全局变量,其对链接器不可以见,也就是说,这个变量只能在当前文件中使用。

我们再来看一个例子:

#include <stdio.h>
void foo(void)
{
    int a;
    printf("%d\n", a);
}
void bar(void)
{
    int a = 42;
}
int main(void)
{
    bar();
    foo();
}

你知道这段代码会输出什么吗?A) 一个随机值,B) 42。A 和 B都对(在“在函数外存取局部变量的一个比喻”文中的最后给过这个例子),不过,你知道为什么吗?

  • 如果你使用一般的编译,会输出42,因为我们的编译器优化了函数的调用栈(重用了之前的栈),为的是更快,这没有什么副作用。反正你不初始化,他就是随机值,既然是随机值,什么都无所谓。
  • 但是,如果你的编译打开了代码优化的开关,-O,这意味着,foo()函数的代码会被优化成main()里的一个inline函数,也就是说没有函数调用,就像宏定义一样。于是你会看到一个随机的垃圾数。

下面,我们再来看一个示例:

#include <stdio.h>
int b(void) { printf(“3”); return 3; }
int c(void) { printf(“4”); return 4; }
int main(void)
{
   int a = b() + c();
   printf(“%d\n”, a);
}

这段程序会输出什么?,你会说是,3,4,7。但是我想告诉你,这也有可能输出,4,3,7。为什么呢? 这是因为,在C/C++中,表达的评估次序是没有标准定义的。编译器可以正着来,也可以反着来,所以,不同的编译器会有不同的输出。你知道这个特性以后,你就知道这样的程序是没有可移植性的。

我们再来看看下面的这堆代码,他们分别输出什么呢?

int a=41; a++; printf("%d\n", a);
int a=41; a++ & printf("%d\n", a);
int a=41; a++ && printf("%d\n", a);
int a=41; if (a++ < 42) printf("%d\n", a);
int a=41; a = a++; printf("%d\n", a);

只有示例一,示例三,示例四输出42,而示例二和五的行为则是未定义的。关于这种未定义的东西是因为Sequence Points的影响(Sequence Points是一种规则,也就是程序执行的序列点,在两点之间的表达式只能对变量有一次修改),因为这会让编译器不知道在一个表达式顺列上如何存取变量的值。比如a = a++,a + a++,不过,在C中,这样的情况很少。

下面,再看一段代码:(假设int为4字节,char为1字节)

struct X { int a; char b; int c; };
printf("%d,", sizeof(struct X));
struct Y { int a; char b; int c; char d};
printf("%d\n", sizeof(struct Y));

这个代码会输出什么?

a) 9,10
b)12, 12
c)12, 16

答案是C,我想,你一定知道字节对齐,是向4的倍数对齐。

  • 但是,你知道为什么要字节对齐吗?还是因为性能。因为这些东西都在内存里,如果不对齐的话,我们的编译器就要向内存一个字节一个字节的取,这样一来,struct X,就需要取9次,太浪费性能了,而如果我一次取4个字节,那么我三次就搞定了。所以,这是为了性能的原因。
  • 但是,为什么struct Y不向12 对齐,却要向16对齐,因为char d; 被加在了最后,当编译器计算一个结构体的尺寸时,是边计算,边对齐的。也就是说,编译器先看到了int,很好,4字节,然后是 char,一个字节,而后面的int又不能填上还剩的3个字节,不爽,把char b对齐成4,于是计算到d时,就是13 个字节,于是就是16啦。但是如果换一下d和c的声明位置,就是12了。

另外,再提一下,上述程序的printf中的%d并不好,因为,在64位下,sizeof的size_t是unsigned long,而32位下是 unsigned int,所以,C99引入了一个专门给size_t用的%zu。这点需要注意。在64位平台下,C/C++ 的编译需要注意很多事。你可以参看《64位平台C/C++开发注意事项》。

下面,我们再说说编译器的Warning,请看代码:

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int a;
    printf("%d\n", a);
}

考虑下面两种编译代码的方式 :

  • cc -Wall a.c
  • cc -Wall -O a.c

前一种是不会编译出a未初化的警告信息的,而只有在-O的情况下,才会有未初始化的警告信息。这点就是为什么我们在makefile里的CFLAGS上总是需要-Wall和 -O。

最后,我们再来看一个指针问题,你看下面的代码:

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int a[5];
    printf("%x\n", a);
    printf("%x\n", a+1);
    printf("%x\n", &a);
    printf("%x\n", &a+1);
}

假如我们的a的地址是:0Xbfe2e100, 而且是32位机,那么这个程序会输出什么?

  • 第一条printf语句应该没有问题,就是 bfe2e100
  • 第二条printf语句你可能会以为是bfe2e101。那就错了,a+1,编译器会编译成 a+ 1*sizeof(int),int在32位下是4字节,所以是加4,也就是bfe2e104
  • 第三条printf语句可能是你最头疼的,我们怎么知道a的地址?我不知道吗?可不就是bfe2e100。那岂不成了a==&a啦?这怎么可能?自己存自己的?也许很多人会觉得指针和数组是一回事,那么你就错了。如果是 int *a,那么没有问题,因为a是指针,所以 &a 是指针的地址,a 和 &a不一样。但是这是数组啊a[],所以&a其实是被编译成了 &a[0]。
  • 第四条printf语句就很自然了,就是bfe2e104。还是不对,因为是&a是数组,被看成int(*)[5],所以sizeof(a)是5,也就是5*sizeof(int),也就是bfe2e114。

看过这么多,你可能会觉得C语言设计得真扯淡啊。不过我要告诉下面几点Dennis当初设计C语言的初衷:

1)相信程序员,不阻止程序员做他们想做的事。

2)保持语言的简洁,以及概念上的简单。

3)保证性能,就算牺牲移植性。

今天很多语言进化得很高级了,语法也越来越复杂和强大,但是C语言依然光芒四射,Dennis离世了,但是C语言的这些设计思路将永远不朽。

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深入理解C语言》的相关评论

  1. 因为,如果要初始化,每次调用函数里,编译器都要初始化函数栈空间,这太费性能了

    静态变量只会初始化一次。

  2. 第一段代码在哪个C语言的编译器下编译通过了?我用GCC v4.8.3不行啊
    还有奇怪的错误.

    sh-4.3# gcc -o main *.c
    main.c: In function ‘main’:
    main.c:4:5: warning: incompatible implicit declaration of built-in function ‘printf’
    printf(“%d\n”, a);
    ^
    main.c:4:5: error: stray ‘\342’ in program
    main.c:4:5: error: stray ‘\200’ in program
    main.c:4:5: error: stray ‘\234’ in program
    main.c:4:15: error: expected expression before ‘%’ token
    printf(“%d\n”, a);
    ^
    main.c:4:15: error: stray ‘\’ in program
    main.c:4:15: error: stray ‘\342’ in program
    main.c:4:15: error: stray ‘\200’ in program
    main.c:4:15: error: stray ‘\235’ in program

  3. 第四条printf语句就很自然了,就是bfe2e104。还是不对,因为是&a是数组,被看成int(*)[5],所以sizeof(a)是5,也就是5*sizeof(int),也就是bfe2e114。

    对于这一点,我不是特别理解其逻辑:&a被解释成数组,这和sizeof(a)有什么关系;还有,sizeof(a),我实际运行计算结果是20;

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