Linux C编程一站式学习

参考来源：http://learn.akae.cn/media/index.html

1.汇编语言和机器语言的指令是一一对应的，汇编语言有三条指令，机器语言也有三条指令，汇编器就是做一个简单的替换工作，例如在第一条指令中，把movl ?,%eax这种格式的指令替换成机器码a1 ?，?表示一个地址，在汇编指令中是0x804a01c，转换成机器码之后是1c a0 04 08

2.C语言的语句和低级语言的指令之间不是简单的一一对应关系，一条a=b+1;语句要翻译成三条汇编或机器指令，这个过程称为编译（Compile），由编译器（Compiler）来完成，显然编译器的功能比汇编器要复杂得多。用C语言编写的程序必须经过编译转成机器指令才能被计算机执行，编译需要花一些时间，这是用高级语言编程的一个缺点，然而更多的是优点。首先，用C语言编程更容易，写出来的代码更紧凑，可读性更强，出了错也更容易改正。其次，C语言是可移植的（Portable）或者称为平台无关的（Platform Independent）。

3.还要注意一点，即使在相同的体系结构和操作系统下，用不同的C编译器（或者同一个C编译器的不同版本）编译同一个程序得到的结果也有可能不同，C语言有些语法特性在C标准中并没有明确规定，各编译器有不同的实现，编译出来的指令的行为特性也会不同，应该尽量避免使用不可移植的语法特性。

4.现在给出一些关于阅读程序（包括其它形式语言）的建议。首先请记住形式语言远比自然语言紧凑，所以要多花点时间来读。其次，结构很重要，从上到下从左到右读往往不是一个好办法，而应该学会在大脑里解析：识别Token，分解结构。最后，请记住细节的影响，诸如拼写错误和标点错误这些在自然语言中可以忽略的小毛病会把形式语言搞得面目全非。

5.5.调试的技能我们在后续的学习中慢慢培养，但首先我们要区分清楚程序中的Bug分为哪几类。

编译时错误

编译器只能翻译语法正确的程序，否则将导致编译失败，无法生成可执行文件。对于自然语言来说，一点语法错误不是很严重的问题，因为我们仍然可以读懂句子。而编译器就没那么宽容了，只要有哪怕一个很小的语法错误，编译器就会输出一条错误提示信息然后罢工，你就得不到你想要的结果。虽然大部分情况下编译器给出的错误提示信息就是你出错的代码行，但也有个别时候编译器给出的错误提示信息帮助不大，甚至会误导你。在开始学习编程的前几个星期，你可能会花大量的时间来纠正语法错误。等到有了一些经验之后，还是会犯这样的错误，不过会少得多，而且你能更快地发现错误原因。等到经验更丰富之后你就会觉得，语法错误是最简单最低级的错误，编译器的错误提示也就那么几种，即使错误提示是有误导的也能够立刻找出真正的错误原因是什么。相比下面两种错误，语法错误解决起来要容易得多。

运行时错误

编译器检查不出这类错误，仍然可以生成可执行文件，但在运行时会出错而导致程序崩溃。对于我们接下来的几章将编写的简单程序来说，运行时错误很少见，到了后面的章节你会遇到越来越多的运行时错误。读者在以后的学习中要时刻注意区分编译时和运行时（Run-time）这两个概念，不仅在调试时需要区分这两个概念，在学习C语言的很多语法时都需要区分这两个概念，有些事情在编译时做，有些事情则在运行时做。

逻辑错误和语义错误

第三类错误是逻辑错误和语义错误。如果程序里有逻辑错误，编译和运行都会很顺利，看上去也不产生任何错误信息，但是程序没有干它该干的事情，而是干了别的事情。当然不管怎么样，计算机只会按你写的程序去做，问题在于你写的程序不是你真正想要的，这意味着程序的意思（即语义）是错的。找到逻辑错误在哪需要十分清醒的头脑，要通过观察程序的输出回过头来判断它到底在做什么。

6.要在一个平台上支持C语言，不仅要实现C编译器，还要实现C标准库，这样的实现才算符合C标准。不符合C标准的实现也是存在的，例如很多单片机的C语言开发工具中只有C编译器而没有完整的C标准库。

7.随着编程经验越来越丰富，你可能每次写若干行代码再一起测试，而不是像现在这样每写一行就测试一次，但不管怎么样，增量式开发的思路是很有用的，它可以帮你节省大量的调试时间，不管你有多强，都不应该一口气写完整个程序再编译运行，那几乎是一定会有Bug的，到那时候再找Bug就难了。

gdb基本命令1

X/20 $esp是查看$esp地址开始的20个字的数据。

Disassemble反汇编当前函数

Si单步执行指令，s,n是单步执行语句

命令

描述

backtrace（或bt）

查看各级函数调用及参数

finish

连续运行到当前函数返回为止，然后停下来等待命令

frame（或f） 帧编号

选择栈帧

info（或i） locals

查看当前栈帧局部变量的值

list（或l）

列出源代码，接着上次的位置往下列，每次列10行

list 行号

列出从第几行开始的源代码

list 函数名

列出某个函数的源代码

next（或n）

执行下一行语句

print（或p）

打印表达式的值，通过表达式可以修改变量的值或者调用函数

quit（或q）

退出gdb调试环境

set var

修改变量的值

start

开始执行程序，停在main函数第一行语句前面等待命令

step（或s）

执行下一行语句，如果有函数调用则进入到函数中

gdb基本命令2

命令

描述

break（或b） 行号

在某一行设置断点

break 函数名

在某个函数开头设置断点

break ... if ...

设置条件断点

continue（或c）

从当前位置开始连续运行程序

delete breakpoints 断点号

删除断点

display 变量名

跟踪查看某个变量，每次停下来都显示它的值

disable breakpoints 断点号

禁用断点

enable 断点号

启用断点

info（或i） breakpoints

查看当前设置了哪些断点

run（或r）

从头开始连续运行程序

undisplay 跟踪显示号

取消跟踪显示

我们知道断点是当程序执行到某一代码行时中断，而观察点是当程序访问某个存储单元时中断，如果我们不知道某个存储单元是在哪里被改动的，这时候观察点尤其有用。下面删除原来设的断点，从头执行程序，重复上次的输入，用watch命令设置观察点，跟踪input[4]后面那个字节（可以用input[5]表示，虽然这是访问越界）：

8.如果某个函数的局部变量发生访问越界，有可能并不立即产生段错误，而是在函数返回时产生段错误。

9.对于有符号数在计算机中的表示是Sign and Magnitude、1's Complement还是2's Complement，C标准也没有明确规定，也是Implementation Defined。大多数体系结构都采用2's Complement表示法，x86平台也是如此，从现在开始我们只讨论2's Complement表示法的情况。还有一点要注意，除了char型以外的这些类型如果不明确写signed或unsigned关键字都表示signed，这一点是C标准明确规定的，不是Implementation Defined。

10.除了char型在C标准中明确规定占一个字节之外，其它整型占几个字节都是Implementation Defined。即编译器规定的。

11.类型转换

Integer Promotion 

在一个表达式中，凡是可以使用int或unsigned int类型做右值的地方也都可以使用有符号或无符号的char型、short型和Bit-field。如果原始类型的取值范围都能用int型表示，则其类型被提升为int，如果原始类型的取值范围用int型表示不了，则提升为unsigned int型，这称为Integer Promotion。做Integer Promotion只影响上述几种类型的值，对其它类型无影响。C99规定Integer Promotion适用于以下几种情况：

1、如果一个函数的形参类型未知，例如使用了Old Style C风格的函数声明（详见第 2 节 “自定义函数”），或者函数的参数列表中有...，那么调用函数时要对相应的实参做Integer Promotion，此外，相应的实参如果是float型的也要被提升为double型，这条规则称为Default Argument Promotion。我们知道printf的参数列表中有...，除了第一个形参之外，其它形参的类型都是未知的，比如有这样的代码：

char ch = 'A';

printf("%c", ch);

ch要被提升为int型之后再传给printf。

2、算术运算中的类型转换。有符号或无符号的char型、short型和Bit-field在做算术运算之前首先要做Integer Promotion，然后才能参与计算。例如：

unsigned char c1 = 255, c2 = 2;

int n = c1 + c2;

计算表达式c1 + c2的过程其实是先把c1和c2提升为int型然后再相加（unsigned char的取值范围是0~255，完全可以用int表示，所以提升为int就可以了，不需要提升为unsigned int），整个表达式的值也是int型，最后的结果是257。假如没有这个提升的过程，c1 + c2就溢出了，溢出会得到什么结果是Undefined，在大多数平台上会把进位截掉，得到的结果应该是1。

除了+号之外还有哪些运算符在计算之前需要做Integer Promotion呢？我们在下一小节先介绍Usual Arithmetic Conversion规则，然后再解答这个问题。

3.2. Usual Arithmetic Conversion 

两个算术类型的操作数做算术运算，比如a + b，如果两边操作数的类型不同，编译器会自动做类型转换，使两边类型相同之后才做运算，这称为Usual Arithmetic Conversion。转换规则如下：

如果有一边的类型是long double，则把另一边也转成long double。

否则，如果有一边的类型是double，则把另一边也转成double。

否则，如果有一边的类型是float，则把另一边也转成float。

否则，两边应该都是整型，首先按上一小节讲过的规则对a和b做Integer Promotion，然后如果类型仍不相同，则需要继续转换。首先我们规定char、short、int、long、long long的转换级别（Integer Conversion Rank）一个比一个高，同一类型的有符号和无符号数具有相同的Rank。转换规则如下：

如果两边都是有符号数，或者都是无符号数，那么较低Rank的类型转换成较高Rank的类型。例如unsigned int和unsigned long做算术运算时都转成unsigned long。

否则，如果一边是无符号数另一边是有符号数，无符号数的Rank不低于有符号数的Rank，则把有符号数转成另一边的无符号类型。例如unsigned long和int做算术运算时都转成unsigned long，unsigned long和long做算术运算时也都转成unsigned long。

剩下的情况是：一边有符号另一边无符号，并且无符号数的Rank低于有符号数的Rank。这时又分为两种情况，如果这个有符号数类型能够覆盖这个无符号数类型的取值范围，则把无符号数转成另一边的有符号类型。例如遵循LP64的平台上unsigned int和long在做算术运算时都转成long。

否则，也就是这个有符号数类型不足以覆盖这个无符号数类型的取值范围，则把两边都转成有符号数的Rank对应的无符号类型。例如在遵循ILP32的平台上unsigned int和long在做算术运算时都转成unsigned long。

可见有符号和无符号整数的转换规则是十分复杂的，虽然这是有明确规定的，不属于阴暗角落，但为了程序的可读性不应该依赖这些规则来写代码。我讲这些规则，不是为了让你用，而是为了让你了解有符号数和无符号数混用会非常麻烦，从而避免触及这些规则，并且在程序出错时记得往这上面找原因。所以这些规则不需要牢记，但要知道有这么回事，以便在用到的时候能找到我书上的这一段。

到目前为止我们学过的+ - * / % > < >= <= == !=运算符都需要做Usual Arithmetic Conversion，因为都要求两边操作数的类型一致，在下一章会介绍几种新的运算符也需要做Usual Arithmetic Conversion。单目运算符+ - ~只有一个操作数，移位运算符<< >>两边的操作数类型不要求一致，这些运算不需要做Usual Arithmetic Conversion，但也需要做Integer Promotion

3.3. 由赋值产生的类型转换 

如果赋值或初始化时等号两边的类型不相同，则编译器会把等号右边的类型转换成等号左边的类型再做赋值。例如int c = 3.14;，编译器会把右边的double型转成int型再赋给变量c。

我们知道，函数调用传参的过程相当于定义形参并且用实参对其做初始化，函数返回的过程相当于定义一个临时变量并且用return的表达式对其做初始化，所以由赋值产生的类型转换也适用于这两种情况。例如一个函数的原型是int foo(int, int);，则调用foo(3.1, 4.2)时会自动把两个double型的实参转成int型赋给形参，如果这个函数定义中有返回语句return 1.2;，则返回值1.2会自动转成int型再返回。

在函数调用和返回过程中发生的类型转换往往容易被忽视，因为函数原型和函数调用并没有写在一起。例如char c = getchar();，看到这一句往往会想当然地认为getchar的返回值是char型，而事实上getchar的返回值是int型，这样赋值会引起类型转换，可能产生Bug，我们在第 2.5 节 “以字节为单位的I/O函数”详细讨论这个问题。

3.4. 强制类型转换

以上三种情况通称为隐式类型转换（Implicit Conversion，或者叫Coercion），编译器根据它自己的一套规则将一种类型自动转换成另一种类型。除此之外，程序员也可以通过类型转换运算符（Cast Operator）自己规定某个表达式要转换成何种类型，这称为显式类型转换（Explicit Conversion）或强制类型转换（Type Cast）。例如计算表达式(double)3 + i，首先将整数3强制转换成double型（值为3.0），然后和整型变量i相加，这时适用Usual Arithmetic Conversion规则，首先把i也转成double型，然后两者相加，最后整个表达式也是double型的。这里的(double)就是一个类型转换运算符，这种运算符由一个类型名套()括号组成，属于单目运算符，后面的3是这个运算符的操作数。注意操作数的类型必须是标量类型，转换之后的类型必须是标量类型或者void型。

12.sizeof是一个很特殊的运算符，它有两种形式：“sizeof 表达式”和“sizeof(类型名)”。这个运算符很特殊，“sizeof 表达式”中的子表达式并不求值，而只是根据类型转换规则求得子表达式的类型，然后把这种类型所占的字节数作为整个表达式的值。

13.在两个Sequence Point之间，同一个变量的值只允许被改变一次。仅有这一条原则还不够，例如a[i++] = i;的变量i只改变了一次，但结果仍是Undefined，因为等号左边改i的值，等号右边读i的值，到底是先改还是先读？这个读写顺序是不确定的。但为什么i = i + 1;就没有歧义呢？虽然也是等号左边改i的值，等号右边读i的值，但你不读出i的值就没法计算i + 1，那拿什么去改i的值呢？所以这个读写顺序是确定的。写表达式应遵循的原则二：如果在两个Sequence Point之间既要读一个变量的值又要改它的值，只有在读写顺序确定的情况下才可以这么写。

14.无论是在CPU外部接总线的设备还是在CPU内部接总线的设备都有各自的地址范围，都可以像访问内存一样访问，很多体系结构（比如ARM）采用这种方式操作设备，称为内存映射I/O（Memory-mapped I/O）。但是x86比较特殊，x86对于设备有独立的端口地址空间，CPU核需要引出额外的地址线来连接片内设备（和访问内存所用的地址线不同），访问设备寄存器时用特殊的in/out指令，而不是和访问内存用同样的指令，这种方式称为端口I/O（Port I/O）。

15.从CPU的角度来看，访问设备只有内存映射I/O和端口I/O两种，要么像内存一样访问，要么用一种专用的指令访问。其实访问设备是相当复杂的，计算机的设备五花八门，各种设备的性能要求都不一样，有的要求带宽大，有的要求响应快，有的要求热插拔，于是出现了各种适应不同要求的设备总线，比如PCI、AGP、USB、1394、SATA等等，这些设备总线并不直接和CPU相连，CPU通过内存映射I/O或端口I/O访问相应的总线控制器，通过总线控制器再去访问挂在总线上的设备。所以上图中标有“设备”的框可能是实际的设备，也可能是设备总线的控制器。

16.操作系统和其它用户程序的不同之处在于：操作系统是常驻内存的，而其它用户程序则不一定，用户需要运行哪个程序，操作系统就把它加载到内存，用户不需要哪个程序，操作系统就把它终止掉，释放它所占的内存。操作系统最核心的功能是管理进程调度、管理内存的分配使用和管理各种设备，做这些工作的程序称为内核（Kernel），在我的系统上内核程序是/boot/vmlinuz-2.6.28-13-generic文件，它在计算机启动时加载到内存并常驻内存。广义上操作系统的概念还包括一些必不可少的用户程序，比如Shell是每个Linux系统必不可少的，而Office办公套件则是可有可无的，所以前者也属于广义上操作系统的范畴，而后者属于应用软件。

17.我们在程序中使用的变量和函数都有各自的地址，程序被编译后，这些地址就成了指令中的地址，指令中的地址被CPU解释执行，就成了CPU执行单元发出的内存地址，所以在启用MMU的情况下，程序中使用的地址都是虚拟地址，都会引发MMU做查表和地址转换操作。

18.段错误我们已经遇到过很多次了，它是这样产生的：

用户程序要访问的一个VA，经MMU检查无权访问。

MMU产生一个异常，CPU从用户模式切换到特权模式，跳转到内核代码中执行异常服务程序。

内核把这个异常解释为段错误，把引发异常的进程终止掉

19.Cache缓存最近访问过的内存数据，由于Cache的访问速度是内存的几十倍，所以有效利用Cache可以大大提高计算机的整体性能。一级Cache是这样工作的：CPU执行单元要访问内存时首先发出VA，Cache利用VA查找相应的数据有没有被缓存，如果Cache中有就不需要访问物理内存了，如果是读操作就直接将Cache中的数据传给CPU寄存器，如果是写操作就直接改写到Cache中；如果Cache没有缓存该数据，就去物理内存中取数据，但并不是要哪个字节就取哪个字节，而是把相邻的几十个字节都取上来缓存着，以备下次用到，这称为一个Cache Line，典型的Cache Line大小是32~256字节。如果计算机还配置了二级缓存，则在访问物理内存之前先用PA去二级缓存中查找。一级缓存是用VA寻址的，二级缓存是用PA寻址的，这是它们的区别。Cache所做的工作是由硬件自动完成的，而不是像寄存器一样由指令决定先做什么后做什么。

20.ELF格式提供了两种不同的视角，链接器把ELF文件看成是Section的集合，而加载器把ELF文件看成是Segment的集合。如下图所示。

图 18.1. ELF文件

左边是从链接器的视角来看ELF文件，开头的ELF Header描述了体系结构和操作系统等基本信息，并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置，Program Header Table在链接过程中用不到，所以是可有可无的，Section Header Table中保存了所有Section的描述信息，通过Section Header Table可以找到每个Section在文件中的位置。右边是从加载器的视角来看ELF文件，开头是ELF Header，Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息，Section Header Table在加载过程中用不到，所以是可有可无的。从上图可以看出，一个Segment由一个或多个Section组成，这些Section加载到内存时具有相同的访问权限。有些Section只对链接器有意义，在运行时用不到，也不需要加载到内存，那么就不属于任何Segment。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件的开头和结尾，其位置由ELF Header指出，上图这么画只是为了清晰。

目标文件需要链接器做进一步处理，所以一定有Section Header Table；可执行文件需要加载运行，所以一定有Program Header Table；而共享库既要加载运行，又要在加载时做动态链接，所以既有Section Header Table又有Program Header Table。

21.为什么编译器要这样处理呢？有一个知识点我此前一直回避没讲，那就是大多数计算机体系统结构对于访问内存的指令是有限制的，在32位平台上，访问4字节的指令（比如上面的movl）所访问的内存地址应该是4的整数倍，访问两字节的指令（比如上面的movw）所访问的内存地址应该是两字节的整数倍，这称为对齐（Alignment）。以前举的所有例子中的内存访问指令都满足这个限制条件，读者可以回头检验一下。如果指令所访问的内存地址没有正确对齐会怎么样呢？在有些平台上将不能访问内存，而是引发一个异常，在x86平台上倒是仍然能访问内存，但是不对齐的指令执行效率比对齐的指令要低，所以编译器在安排各种变量的地址时都会考虑到对齐的问题。对于本例中的结构体，编译器会把它的基地址对齐到4字节边界，也就是说，ebp-0x10这个地址一定是4的整数倍。s.a占一个字节，没有对齐的问题。s.b占两个字节，如果s.b紧挨在s.a后面，它的地址就不能是两字节的整数倍了，所以编译器会在结构体中插入一个填充字节，使s.b的地址也是两字节的整数倍。s.c占4字节，紧挨在s.b的后面就可以了，因为ebp-0xc这个地址也是4的整数倍。那么为什么s.d的后面也要有填充位填充到4字节边界呢？这是为了便于安排这个结构体后面的变量的地址，假如用这种结构体类型组成一个数组，那么后一个结构体只需和前一个结构体紧挨着排列就可以保证它的基地址仍然对齐到4字节边界了，因为在前一个结构体的末尾已经有了填充字节。事实上，C标准规定数组元素必须紧挨着排列，不能有空隙，这样才能保证每个元素的地址可以按“基地址+n×元素大小”简单计算出来

22.为什么编译器优化的结果会错呢？因为编译器并不知道0x804a018和0x804a019是设备寄存器的地址，把它们当成普通的内存单元了。如果是普通的内存单元，只要程序不去改写它，它就不会变，可以先把内存单元里的值读到寄存器缓存起来，以后每次用到这个值就直接从寄存器读取，这样效率更高，我们知道读寄存器远比读内存要快。另一方面，如果对一个普通的内存单元连续做三次写操作，只有最后一次的值会保存到内存单元中，所以前两次写操作是多余的，可以优化掉。访问设备寄存器的代码这样优化就错了，因为设备寄存器往往具有以下特性：

设备寄存器中的数据不需要改写就可以自己发生变化，每次读上来的值都可能不一样。

连续多次向设备寄存器中写数据并不是在做无用功，而是有特殊意义的。

用优化选项编译生成的指令明显效率更高，但使用不当会出错，为了避免编译器自作聪明，把不该优化的也优化了，程序员应该明确告诉编译器哪些内存单元的访问是不能优化的，在C语言中可以用volatile限定符修饰变量，就是告诉编译器，即使在编译时指定了优化选项，每次读这个变量仍然要老老实实从内存读取，每次写这个变量也仍然要老老实实写回内存，不能省略任何步骤。我们把代码的开头几行改成：

/* artificial device registers */

volatile unsigned char recv;

volatile unsigned char send;

然后指定优化选项-O编译，查看反汇编的结果：

        buf[0] = recv;

 80483a2:       0f b6 05 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%eax

 80483a9:       a2 1a a0 04 08          mov    %al,0x804a01a

        buf[1] = recv;

 80483ae:       0f b6 15 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%edx

 80483b5:       88 15 1b a0 04 08       mov    %dl,0x804a01b

        buf[2] = recv;

 80483bb:       0f b6 0d 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%ecx

 80483c2:       88 0d 1c a0 04 08       mov    %cl,0x804a01c

        send = ~buf[0];

 80483c8:       f7 d0                   not    %eax

 80483ca:       a2 18 a0 04 08          mov    %al,0x804a018

        send = ~buf[1];

 80483cf:       f7 d2                   not    %edx

 80483d1:       88 15 18 a0 04 08       mov    %dl,0x804a018

        send = ~buf[2];

 80483d7:       f7 d1                   not    %ecx

 80483d9:       88 0d 18 a0 04 08       mov    %cl,0x804a018

确实每次读recv都从内存地址0x804a019读取，每次写send也都写到内存地址0x804a018了。值得注意的是，每次写send并不需要取出buf中的值，而是取出先前缓存在寄存器eax、edx、ecx中的值，做取反运算然后写下去，这是因为buf并没有用volatile限定，读者可以试着在buf的定义前面也加上volatile，再优化编译，再查看反汇编的结果。

gcc的编译优化选项有-O0、-O、-O1、-O2、-O3、-Os几种。-O0表示不优化，这是缺省的选项。-O1、-O2和-O3这几个选项一个比一个优化得更多，编译时间也更长。-O和-O1相同。-Os表示为缩小目标文件的尺寸而优化。具体每种选项做了哪些优化请参考gcc(1)的Man Page。

从上面的例子还可以看到，如果在编译时指定了优化选项，源代码和生成指令的次序可能无法对应，甚至有些源代码可能不对应任何指令，被彻底优化掉了。这一点在用gdb做源码级调试时尤其需要注意（做指令级调试没关系），在为调试而编译时不要指定优化选项，否则可能无法一步步跟踪源代码的执行过程。

有了volatile限定符，是可以防止编译器优化对设备寄存器的访问，但是对于有Cache的平台，仅仅这样还不够，还是无法防止Cache优化对设备寄存器的访问。在访问普通的内存单元时，Cache对程序员是透明的，比如执行了movzbl 0x804a019,%eax这样一条指令，我们并不知道eax的值是真的从内存地址0x804a019读到的，还是从Cache中读到的，如果Cache已经缓存了这个地址的数据就从Cache读，如果Cache没有缓存就从内存读，这些步骤都是硬件自动做的，而不是用指令控制Cache去做的，程序员写的指令中只有寄存器、内存地址，而没有Cache，程序员甚至不需要知道Cache的存在。同样道理，如果执行了mov %al,0x804a01a这样一条指令，我们并不知道寄存器的值是真的写回内存了，还是只写到了Cache中，以后再由Cache写回内存，即使只写到了Cache中而暂时没有写回内存，下次读0x804a01a这个地址时仍然可以从Cache中读到上次写的数据。然而，在读写设备寄存器时Cache的存在就不容忽视了，如果串口发送和接收寄存器的内存地址被Cache缓存了会有什么问题呢？如下图所示。

图 19.8. 串口发送和接收寄存器被Cache缓存会有什么问题

如果串口发送寄存器的地址被Cahce缓存，CPU执行单元对串口发送寄存器做写操作都写到Cache中去了，串口发送寄存器并没有及时得到数据，也就不能及时发送，CPU执行单元先后发出的1、2、3三个字节都会写到Cache中的同一个单元，最后Cache中只保存了第3个字节，如果这时Cache把数据写回到串口发送寄存器，只能把第3个字节发送出去，前两个字节就丢失了。与此类似，如果串口接收寄存器的地址被Cache缓存，CPU执行单元在读第1个字节时，Cache会从串口接收寄存器读上来缓存，然而串口接收寄存器后面收到的2、3两个字节Cache并不知道，因为Cache把串口接收寄存器当作普通内存单元，并且相信内存单元中的数据是不会自己变的，以后每次读串口接收寄存器时，Cache都会把缓存的第1个字节提供给CPU执行单元。

通常，有Cache的平台都有办法对某一段地址范围禁用Cache，一般是在页表中设置的，可以设定哪些页面允许Cache缓存，哪些页面不允许Cache缓存，MMU不仅要做地址转换和访问权限检查，也要和Cache协同工作。

除了设备寄存器需要用volatile限定之外，当一个全局变量被同一进程中的多个控制流程访问时也要用volatile限定，比如信号处理函数和多线程。

23.对于用角括号包含的头文件，gcc首先查找-I选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录（通常是/usr/include，在我的系统上还包括/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/include）；而对于用引号包含的头文件，gcc首先查找包含头文件的.c文件所在的目录，然后查找-I选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录。

24.另外一个问题是，就算我是重复包含了头文件，那有什么危害么？像上面的三个函数声明，在程序中声明两次也没有问题，对于具有External Linkage的函数，声明任意多次也都代表同一个函数。重复包含头文件有以下问题：

一是使预处理的速度变慢了，要处理很多本来不需要处理的头文件。

二是如果有foo.h包含bar.h，bar.h又包含foo.h的情况，预处理器就陷入死循环了（其实编译器都会规定一个包含层数的上限）。

三是头文件里有些代码不允许重复出现，虽然变量和函数允许多次声明（只要不是多次定义就行），但头文件里有些代码是不允许多次出现的，比如typedef类型定义和结构体Tag定义等，在一个程序文件中只允许出现一次。

还有一个问题，既然要#include头文件，那我不如直接在main.c中#include "stack.c"得了。这样把stack.c和main.c合并为同一个程序文件，相当于又回到最初的例 12.1 “用堆栈实现倒序打印”了。当然这样也能编译通过，但是在一个规模较大的项目中不能这么做，假如又有一个foo.c也要使用stack.c这个模块怎么办呢？如果在foo.c里面也#include "stack.c"，就相当于push、pop、is_empty这三个函数在main.c和foo.c中都有定义，那么main.c和foo.c就不能链接在一起了。如果采用包含头文件的办法，那么这三个函数只在stack.c中定义了一次，最后可以把main.c、stack.c、foo.c链接在一起。

同样道理，头文件中的变量和函数声明一定不能是定义。如果头文件中出现变量或函数定义，这个头文件又被多个.c文件包含，那么这些.c文件就不能链接在一起了。

25.我们把stack.c、push.c、pop.c、is_empty.c编译成目标文件：

$ gcc -c stack/stack.c stack/push.c stack/pop.c stack/is_empty.c

然后打包成一个静态库libstack.a：

$ ar rs libstack.a stack.o push.o pop.o is_empty.o

ar: creating libstack.a

有意思的是，main.c只调用了push这一个函数，所以链接生成的可执行文件中也只有push而没有pop和is_empty。这是使用静态库的一个好处，链接器可以从静态库中只取出需要的部分来做链接。如果是直接把那些目标文件和main.c编译链接在一起：

$ gcc main.c stack.o push.o pop.o is_empty.o -Istack -o main

则没有用到的函数也会链接进来。当然另一个好处就是使用静态库只需写一个库文件名，而不需要写一长串目标文件名。

组成共享库的目标文件和一般的目标文件有所不同，在编译时要加-fPIC选项，例如：

$ gcc -c -fPIC stack/stack.c stack/push.c stack/pop.c stack/is_empty.c

-f后面跟一些编译选项，PIC是其中一种，表示生成位置无关代码（Position Independent Code）。

gcc -shared -o libstack.so stack.o push.o pop.o is_empty.o

虚拟内存管理起到了什么作用呢？可以从以下几个方面来理解。

第一，虚拟内存管理可以控制物理内存的访问权限。物理内存本身是不限制访问的，任何地址都可以读写，而操作系统要求不同的页面具有不同的访问权限，这是利用CPU模式和MMU的内存保护机制实现的。例如，Text Segment被只读保护起来，防止被错误的指令意外改写，内核地址空间也被保护起来，防止在用户模式下执行错误的指令意外改写内核数据。这样，执行错误指令或恶意代码的破坏能力受到了限制，顶多使当前进程因段错误终止，而不会影响整个系统的稳定性。

第二，虚拟内存管理最主要的作用是让每个进程有独立的地址空间。所谓独立的地址空间是指，不同进程中的同一个VA被MMU映射到不同的PA，并且在某一个进程中访问任何地址都不可能访问到另外一个进程的数据，这样使得任何一个进程由于执行错误指令或恶意代码导致的非法内存访问都不会意外改写其它进程的数据，不会影响其它进程的运行，从而保证整个系统的稳定性。另一方面，每个进程都认为自己独占整个虚拟地址空间，这样链接器和加载器的实现会比较容易，不必考虑各进程的地址范围是否冲突。

第三，VA到PA的映射会给分配和释放内存带来方便，物理地址不连续的几块内存可以映射成虚拟地址连续的一块内存。比如要用malloc分配一块很大的内存空间，虽然有足够多的空闲物理内存，却没有足够大的连续空闲内存，这时就可以分配多个不连续的物理页面而映射到连续的虚拟地址范围。

第四，一个系统如果同时运行着很多进程，为各进程分配的内存之和可能会大于实际可用的物理内存，虚拟内存管理使得这种情况下各进程仍然能够正常运行。因为各进程分配的只不过是虚拟内存的页面，这些页面的数据可以映射到物理页面，也可以临时保存到磁盘上而不占用物理页面，在磁盘上临时保存虚拟内存页面的可能是一个磁盘分区，也可能是一个磁盘文件，称为交换设备（Swap Device）。当物理内存不够用时，将一些不常用的物理页面中的数据临时保存到交换设备，然后这个物理页面就认为是空闲的了，可以重新分配给进程使用，这个过程称为换出（Page out）。如果进程要用到被换出的页面，就从交换设备再加载回物理内存，这称为换入（Page in）。换出和换入操作统称为换页（Paging），

26.inline关键字告诉编译器，这个函数的调用要尽可能快，可以当普通的函数调用实现，也可以用宏展开的办法实现。函数式宏定义是在预处理的时候展开。

27.int a[10];

int (*pa)[10] = &a;

a是一个数组，在&a这个表达式中，数组名做左值，取整个数组的首地址赋给指针pa。注意，&a[0]表示数组a的首元素的首地址，而&a表示数组a的首地址，显然这两个地址的数值相同，但这两个表达式的类型是两种不同的指针类型，前者的类型是int *，而后者的类型是int (*)[10]。*pa就表示pa所指向的数组a，所以取数组的a[0]元素可以用表达式(*pa)[0]。注意到*pa可以写成pa[0]，所以(*pa)[0]这个表达式也可以改写成pa[0][0]，pa就像一个二维数组的名字。

28.内存泄漏的Bug很难找到，因为它不会像访问越界一样导致程序运行错误，少量内存泄漏并不影响程序的正确运行，大量的内存泄漏会使系统内存紧缺，导致频繁换页，不仅影响当前进程，而且把整个系统都拖得很慢。

29.以上举例的回调函数是被同步调用的，调用者调用max函数，max函数则调用cmp函数，相当于调用者间接调了自己提供的回调函数。在实际系统中，异步调用也是回调函数的一种典型用法，调用者首先将回调函数传给实现者，实现者记住这个函数，这称为注册一个回调函数，然后当某个事件发生时实现者再调用先前注册的函数，比如sigaction(2)注册一个信号处理函数，当信号产生时由系统调用该函数进行处理，再比如pthread_create(3)注册一个线程函数，当发生调度时系统切换到新注册的线程函数中运行，在GUI编程中异步回调函数更是有普遍的应用，例如为某个按钮注册一个回调函数，当用户点击按钮时调用它。