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使用C99特性简化代码编写

至今我还记得第一次听说C99标准还是在读大一时,那时同寝一位兄弟手头有一本Herbert Schildt编写的《C: The Complete Reference,Fourth Edition》(中文名:C语言大全),书封皮的右上角上赫然写着"详解C99 ANSI/ISO最新标准",那时离C99标准发布仅仅才一年。

那个时候我们大学授课以及实验用的还是Borland的Turbo C 2.0,C99标准根本无从谈起。转眼间十多年过去了,C99标准逐渐成熟,各大编译器厂商以及开源编译器都完善了自己的产品,对C99有了很好的支持,像Gcc编译器在最新的4.6版本里几乎完全支持所有C99特性。但如果你依旧在用Microsoft的Visual Studio,那么很遗憾你可能依旧无法使用C99的诸多新特性。

工作以来一直使用GCC作为C的编译器,但一直采用的是GCC的默认C标准,即gnu89,也就是C90标准加上一些GCC自行的扩展。直到去年年末与Dreamhead闲聊时,Dreamhead提出可利用C99标准简化代码编写的想法,我这才有意识地去主动了解一些有关C99与上一版标准不同的地方,并在今年的项目中尝试用gnu99(-std=gnu99)替代gnu89。

与上一版标准相比,C99做了几十处修订,可用于简化代码编写的新增特性虽然不多,不过大多都还算很实用,其中一些是GCC在自己的扩展中已经存在了多年的特性,这次也被正式纳入C99标准中了。

下面我就列举一些可以帮助你简化C代码编写的C99特性(也许还不够全面):

* 布尔类型
很多C程序员都很向往Java以及C#等语言中提供的原生bool类型,在C语言没有真正提供bool类型之前,很多C程序中都有这样的代码:

#undef  bool
#undef  true
#undef  false

typedef enum {
        false,
        true
} bool;

C99标准中正式引入了布尔类型_Bool,注意是_Bool而不是bool。虽然不是bool,而是一个对于类型名称而言有些丑陋的名字,但这也给C程序员带来了些许福音。C标准委员会显然也考虑到了大家的质疑,遂又为C99引入了一个标准头文件"stdbool.h",在该文件中我们看到了bool,true和false的定义,只不过它们不是原生的,而是宏:
#define bool    _Bool
#define true    1
#define false   0

即使是这样,我们依旧可以无需编写自己的bool类型了(不过如果考虑在不同版本编译器之间的移植的话,还是需要根据__STDC_VERSION__来选择到底使用内置bool还是自定义bool的)。

#include
bool found = true;
bool empty = false;
bool is_foo();
int xx_hash_create(xx_hash_t **h, bool shared);

或者用_Bool类型关键字:
/* no header needed */
_Bool found = 1;
_Bool empty = 0;
_Bool is_foo();
int xx_hash_create(xx_hash_t **h, _Bool shared);

* 可变参数宏
在不支持可变参数宏的日子里,我们经常这么定义一些宏:

#define compare2(compf, arg1, arg2) \
    compf(arg1, arg2)

#define compare3(compf, arg1, arg2, arg3) \
    compf(arg1, arg2, arg3)

#define compare4(compf, arg1, arg2, arg3, arg4) \
    compf(arg1, arg2, arg3, arg4)
… …

有了可变参数宏后,我们只需一个定义即可:
#define compare(compf, …) \
    compf(__VA_ARGS__)

compare(strcmp, "hello", "world");
compare(triplestrcmp, "hello", "world", "foo");
… …

* Compound Literals
这个特性比较难于译成中文,直译起来就是"复合字面量"。其实它类似一个匿名变量,其语法形式为"(类型){初始值列表}",下面是一些例子可以帮助你理解:

在没有"Compound Literals"特性之前,我们可以这样编写代码:
struct xx_allocator_t allocator;
allocator.af = malloc;
allocator.ff = free;
xx_hash_new(.., &allocator);

使用C99特性,我们就可以省掉xx_hash_new之前的那个变量定义和初始化了:
xx_hash_new(.., &(struct xx_allocator_t){.af = malloc, .ff = free});

* Designated initializers(指定初始化器)
在没有这个特性之前,我们在用初始化器初始化一个数组或者一个结构体时,一般要给所有元素都赋值:

struct foo {
    int a;
    char b;
    char s[20];
};

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
struct foo f = {1, 'A', "hello"};
struct foo v[3] = {
    {1, 'A', "hello"},
    {2, 'B', "hi"},
    {3, 'C', "hey"}
};

如果我们只想为数组中某一个元素赋值,或者为结构体中某一个字段赋值的话,我们就不能使用初始化器了,只能这样来做:
int a[5];
a[2] = 3;

struct foo f;
strcpy(f.s, "hello");

struct foo v[3];
v[1].a = 2;
v[1].b = 'B';
strccpy(v[1].s, "hi");

C99给我们带来了指定初始化器的特性,我们可以在初始化时指定为哪个结构体字段或数组元素赋值:

int a[5] = {[2] = 3, [4] = 5};

struct foo f = {.s = "hello"};
struct foo v[3] = {
    [1] = {.a = 2, .b= 'B', .s = "hi"}
};

* 为选择与迭代语句引入新的块范围
这个C++程序员定然不陌生,在C++中我们可以这样定义一个循环:
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    … …
}

但在老版本C中,我们只能这样做:
int i;
for (i = 0; i < 100; i++) {
    … …
}

不过使用C99后,你就可以和C++程序员同等待遇了。

和近几年涌现的一些新语言相比,古老的C语言中可以用于简化代码编写的语法糖就显得少得有些可怜。C1x标准目前正在制定中,但也不要对C1x期望太高,毕竟C语言的精髓并非旨在改善开发效率。

也谈C语言编译器的标准编译阶段

了解C编译器的工作流程有助于C程序员解决编译代码过程中出现的问题。市面上凡是讲解得还算全面的C语言书籍中都或多或少对此有所提及。

让我们在这里来回顾一下C编译器的工作流程!一般C编译器的工作流程大致分为:预编译、编译、生成目标代码(汇编)和连接这四个主要步骤。我们用实例具体描述一下这四个步骤,以最著名的GCC编译器结合helloworld.c文件为例:

/* helloworld.c */
int main() {
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

使用Gcc编译该源文件,我们看到编译器有如下输出(省略了一些内容):

$ gcc -v -o helloworld helloworld.c
… …
gcc version 4.4.3 (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'helloworld' '-mtune=generic' '-march=i486'

 /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/cc1 -quiet -v helloworld.c -D_FORTIFY_SOURCE=2 -quiet -dumpbase helloworld.c -mtune=generic -march=i486 -auxbase helloworld -version -fstack-protector -o /tmp/ccgoLMLQ.s
… …

COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'helloworld' '-mtune=generic' '-march=i486'
 as -V -Qy -o /tmp/ccN9HVdH.o /tmp/ccgoLMLQ.s
… …

COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'helloworld' '-mtune=generic' '-march=i486'
 /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/collect2 –build-id –eh-frame-hdr -m elf_i386 –hash-style=both -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o helloworld -z relro /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crt1.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crti.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib -L/lib/../lib -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/../../.. -L/usr/lib/i486-linux-gnu /tmp/ccN9HVdH.o -lgcc –as-needed -lgcc_s –no-as-needed -lc -lgcc –as-needed -lgcc_s –no-as-needed /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/crtend.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crtn.o

可以明显看出,Gcc的输出大致分为三段:
首先是调用/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4.3/cc1对源文件helloworld.c进行预编译和编译,生成汇编代码文件/tmp/ccgoLMLQ.s;
然后,汇编器as被启动,编译ccgoLMLQ.s,生成目标代码文件/tmp/ccN9HVdH.o;
最后,链接器collect2将目标文件和一些库文件连接在一起,形成可执行程序helloworld。

简单总结一下就是:
- cc1负责预编译源代码helloworld.c,生成helloworld.i(指代预编译后生成的中间文件,很多编译器为了效率并不使用临时文件,而使用管道等方法),我们可以通过gcc -E helloworld.c > helloworld.i得到helloworld.i这个文件;
- cc1将helloworld.i作为输入,对预编译后的源文件进行编译,生成汇编代码文件helloworld.s(指代编译后的汇编代码文件)。我们可以通过gcc -S helloworld.c得到helloworld.s文件;
- as负责根据helloworld.s生成目标代码文件helloworld.o,我们可以通过gcc -c helloworld.c来获得helloworld.o;
- collect2负责将目标代码与各种库文件连接,形成最终可执行文件helloworld。

其实以上不是这次重点要谈的。粗略了解了以上流程的确有助于解决编译过程中的问题,但是还不能解决全部,你需要了解更多。关于链接过程,我在博客里曾多次谈过,这里就不说了。as执行的汇编过程基本不会出现问题,这里也不谈,我们这次重点要关注的就是C编译器在预编译和编译过程中的一些细节。

C标准(C99)在5.1.1.2小节将C编译器工作流程分成了八个标准阶段,我这里也是结合这八个阶段并按照我的理解做进一步的解释的。在开始之前我们要明确下面这八个阶段中的前七个都是针对一个编译单元/翻译单元的,自始至终你都要牢记这一点。

第一阶段:物理源文件中的多字节字符被映射到源字符集(具体以何种字符编码方式映射与编译器的实现相关)。三字符序列(或称为三字符组)被替换为相应的单字符的内部表示。

标准中的语言总是那么绕口。这里主要说的是编译器读取物理源文件的内容,此时编译器并不知道该源文件中的多字节字符采用的是何种字符集编码方式。以GCC为例,GCC默认源码文件多字节字符的编码为utf8,而GCC其作为内部表示的源字符集默认也是utf8,所以默认情况下,这个阶段GCC不会对源文件中的内容做任何转换。

例如我们有一个内码格式为GBK的名为foo.c的文件:
/* foo.c */
int main() {
    printf("中国\n");
}

按照GBK码表,其中的字符串常量"中国"的编码为d6 d0 b9 fa。将该文件传到一个locale为utf8的平台上编译,我们发现GCC并未尝试将GBK转换为其内部表示的编码格式utf8:
$ gcc -E foo.c > foo.i
$ od -x foo.i
我们可以看到foo.i中"中国"二个字的编码依旧为d6 d0 b9 fa。

不过我们可以显式告知编译器源码文件的编码格式,如果其所在OS支持从该编码格式到utf8的转换,则GCC会在第一阶段就进行这个转换:
$ gcc -E foo.c > foo.i -finput-charset='gbk'
这次foo.i中的"中国"二字的编码变成了utf编码:e4 b8 ad e5 9b bd

三字符序列(trigraphs)的替换过程也是在第一阶段进行的,也就是发生在词法分析之前以及识别字符常量和字符串常量中的转义字符之前。我们看看这个例子:
/* trigraphs_test.c */
int main(int argc, const char *argv[]) {
    printf("hello??/n");
    printf("world\n");
    return 0;
}

$ gcc -E trigraphs_test.c > trigraphs_test.i -std=c99

可以看到trigraphs_test.i内容为:
int main(int argc, const char *argv[]) {
    printf("hello\n");
    printf("world\n");
    return 0;
}

三字符序列发生在转义之前,所以printf("hello??/n");在字符串转义过程之前就先进行了三字符序列的替换(否则编译器会报错),替换成了printf("hello\n");后续在字符串常量转义字符时\n才被当作了换行符处理。

第二阶段:这个阶段比较简单,说白了就是去掉续行符,即所有相邻的'\'和'\n'的组合,将物理源代码的行拼接为逻辑源代码行。

第三阶段:源文件被分解为预处理词法元素(tokens)和空白字符序列(包括注释)。源文件不应该以一个部分预处理词法元素或部分注释结束(例如一个注释不能一半在一个文件中,而另一半在接下来的文件中)。每条注释都被替换成一个空格字符。换行符保留。将非空空白字符序列(诸如空格、TAB键等,除了换行符)保留还是替换为一个空格字符则由编译器的实现决定

这个阶段中预处理器开始执行了词法分析,删除不必要字符,转换字符,为后续处理营造一个干净的环境。

第四阶段:预处理指示符被执行,宏调用被扩展,_Pragma一元操作符表达式被执行。对通用字符名(UCN)进行词法元素连接的行为是未定义的。预处理器从阶段1到阶段4递归地处理源文件中#include预处理指示符中的头文件或源文件。最后所有预处理指示符被删除。

这个阶段预处理器是主力,其结果是我们得到了一个包含了诸多头文件内容的预处理后的编译单元文件,用作后续处理的输入。

第五阶段:字符常量、字符串常量中的源字符集字符或转义字符序列都会被转换为相应的执行字符集中的字符;如果执行字符集中没有对应的字符(除了宽字符null),则转换成什么由编译器的实现确定。

注意与第一阶段不同的是:这个是在foo.i的基础上,也就是说在GCC默认foo.i中的字符都是utf8的基础上,将代码中的字符常量以及字符串常量中的源字符集字符(默认utf8)转换为执行字符集(默认也是utf8),包括通用字符名(UCN)。

注意UCN也可以看成转义字符序列,在这个阶段被转换为执行字符集,如:
char *a = "\u4e2d\u56fd"; /* 两个ucn字符为'中国' */

我们通过gcc -S得到源文件对应的.s汇编文件,从汇编文件内容可以看到a的内部表示为:
.string "\344\270\255\345\233\275"
即utf编码的'中国'。

另外这里说的字符和字符串串常量,也包括宽字符和宽字符串,其转换为内部表示的过程也在这个阶段进行,例如下面代码:
wchar w[] = L"中国";

该代码进行了一次utf8到宽字符内部表示(GCC为unicode32)的转换。

第六阶段:将相邻两个字符串字面元素连接起来
这个阶段用一个例子就能说明问题,很简单:
char *a = "hello"
          " world";

经过编译后,我们可以看到.s文件中关于a的定义:
.string "hello world"

这就相当于将"hello"和" world"连接起来,形成"hello world"。

第七阶段:编译器执行词法分析、语法分析以及语义分析,生成该编译单元对应的目标代码(.o文件)。
第八阶段:Resolve所有外部符号(包括变量和函数),并将诸多编译单元的.o以及外部库连接成可执行程序。

个人感觉编译阶段中的难点就是几个涉及字符集转换的阶段,如第一个阶段和第五个阶段,不过只要弄清楚编译器是如何做的,相信所有编译问题都可以被轻松解决了。

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