深入了解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训的语言，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。

    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 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′,’\\0′ 三个字符。而在C89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 
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 
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，会输了42，因为我们的编译器优化了函数的调用栈，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 
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又叫Sequence Points，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++，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�-/C++开发注意事项》。

    下面，我们再说说编译器的Warning，请看代码：

#include 
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，再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。

    看过这么多，你可能会觉得C语言设计得真拉淡啊。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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