【Deep C (and C++)】深入理解C/C++(2)

译自Deep C (and C++) by Olve Maudal and Jon Jagger，本身半桶水不到，如果哪位网友发现有错，留言指出吧：）

        

 好，接着深入理解C/C++之旅。我在翻译第一篇的时候，自己是学到不不少东西，因此打算将这整个ppt翻译完毕。

 

请看下面的代码片段：

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdio.h>  
2.   
3. void foo(void)  
4. {  
5.     int a;  
6.     printf("%d\n", a);  
7. }  
8.   
9. void bar(void)  
10. {  
11.     int a = 42;  
12. }  
13.   
14. int main(void)  
15. {  
16.     bar();  
17.     foo();  
18. }  

编译运行，期待输出什么呢？

[cpp] view plaincopy

1. $  cc  foo.c  &&  ./a.out  
2. 42  

你可以解释一下，为什么这样吗？

第一个候选者：嗯？也许编译器为了重用有一个变量名称池。比如说，在bar函数中，使用并且释放了变量a，当foo函数需要一个整型变量a的时候，它将得到和bar函数中的a的同一内存区域。如果你在bar函数中重新命名变量a，我不觉得你会得到42的输出。

你：恩。确定。。。

 

第二个候选者：不错，我喜欢。你是不是希望我解释一下关于执行堆栈或是活动帧(activation frames, 操作代码在内存中的存放形式，譬如在某些系统上，一个函数在内存中以这种形式存在：

ESP

形式参数

局部变量

EIP

)？

你：我想你已经证明了你理解这个问题的关键所在。但是，如果我们编译的时候，采用优化参数，或是使用别的编译器来编译，你觉得会发生什么？

候选者：如果编译优化措施参与进来，很多事情可能会发生，比如说，bar函数可能会被忽略，因为它没有产生任何作用。同时，如果foo函数会被inline，这样就没有函数调用了，那我也不感到奇怪。但是由于foo函数必须对编译器可见，所以foo函数的目标文件会被创建，以便其他的目标文件链接阶段需要链接foo函数。总之，如果我使用编译优化的话，应该会得到其他不同的值。

[cpp] view plaincopy

1. $  cc -O foo.c  &&  ./a.out  
2. 1606415608  

候选者：垃圾值。

 

那么，请问，这段代码会输出什么？

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdio.h>  
2.    
3. void foo(void)  
4. {  
5.    int a = 41;  
6.     a= a++;  
7.    printf("%d\n", a);  
8. }  
9.    
10. int main(void)  
11. {  
12.    foo();  
13. }  

第一个候选者：我没这样写过代码。

你：不错，好习惯。

候选者：但是我猜测答案是42.

你：为什么？

候选者：因为没有别的可能了。

你：确实，在我的机器上运行，确实得到了42.

候选者：对吧，嘿嘿。

你：但是这段代码，事实上属于未定义。

候选者：对，我告诉过你，我没这样写过代码。

 

第二个候选者登场：a会得到一个未定义的值。

你：我没有得到任何的警告信息，并且我得到了42.

候选者：那么你需要提高你的警告级别。在经过赋值和自增以后，a的值确实未定义，因为你违反了C/C++语言的根本原则中的一条，这条规则主要针对执行顺序(sequencing)的。C/C++规定，在一个序列操作中，对每一个变量，你仅仅可以更新一次。这里，a = a++；更新了两次，这样操作会导致a是一个未定义的值。

你：你的意思是，我会得到一个任意值？但是我确实得到了42.

候选者：确实，a可以是42，41,43,0,1099，或是任意值。你的机器得到42，我一点都不感到奇怪，这里还可以得到什么？或是编译前选择42作为一个未定义的值：）呵呵：）

  

那么，下面这段代码呢？

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdio.h>  
2.    
3. int b(void)  
4. {  
5.    puts("3");  
6.    return 3;  
7. }  
8.    
9. int c(void)  
10. {  
11.    puts("4");  
12.    return 4;  
13. }  
14.    
15. int main(void)  
16. {  
17.    int a = b() + c();  
18.    printf("%d\n", a);  
19. }  

 

第一个候选者：简单，会依次打印3,4,7.

你：确实。但是也有可能是4,3,7.

候选者：啊？运算次序也是未定义？

你：准确的说，这不是未定义，而是未指定。

候选者：不管怎样，讨厌的编译器。我觉得他应该给我们警告信息。

你心里默念：警告什么？

 

第二个候选者：在C/C++中，运算次序是未指定的，对于具体的平台，由于优化的需要，编译器可以决定运算顺序，这又和执行顺序有关。

         这段代码是符合C标准的。这段代码或是输出3,4,7或是输出4,3,7，这个取决于编译器。

你心里默念：要是我的大部分同事都像你这样理解他们所使用的语言，生活会多么美好：）

 

这个时候，我们会觉得第二个候选者对于C语言的理解，明显深刻于第一个候选者。如果你回答以上问题，你停留在什么阶段？：）

 

那么，试着看看第二个候选者的潜能？看看他到底有多了解C/C++

 

可以考察一下相关的知识：

声明和定义；

调用约定和活动帧；

序点；

内存模型；

优化；

不同C标准之间的区别；

 

 

这里，我们先分享序点以及不同C标准之间的区别相关的知识。

 

考虑以下这段代码，将会得到什么输出？

[cpp] view plaincopy

1. 1.  
2. int a = 41;  
3. a++;  
4. printf("%d\n", a);  
5. 答案：42  
6.    
7. 2.  
8. int a = 41;  
9. a++ & printf("%d\n", a);  
10. 答案：未定义  
11.    
12. 3.  
13. int a = 41;  
14. a++ && printf("%d\n", a);  
15. 答案：42  
16.    
17. 4. int a = 41;  
18. if (a++ < 42) printf("%d\n",a);  
19. 答案：42  
20.    
21. 5.  
22. int a = 41;  
23. a = a++;  
24. printf("%d\n", a);  
25. 答案：未定义  

到底什么时候，C/C++语言会有副作用？

序点：

什么是序点？

简而言之，序点就是这么一个位置，在它之前所有的副作用已经发生，在它之后的所有副作用仍未开始，而两个序点之间所有的表达式或者代码执行的顺序是未定义的！

 

序点规则1：

在前一个序点和后一个序点之前，也就是两个序点之间，一个值最多只能被写一次；

这里，在两个序点之间，a被写了两次，因此，这种行为属于未定义。

 

序点规则2：

进一步说，先前的值应该是只读的，以便决定要存储什么值。

很多开发者会觉得C语言有很多序点，事实上，C语言的序点非常少。这会给编译器更大的优化空间。

 

接下来看看，各种C标准之间的差别：

现在让我们回到开始那两位候选者。

 

下面这段代码，会输出什么？

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdio.h>  
2.    
3. struct X  
4. {  
5.    int a;  
6.    char b;  
7.    int c;  
8. };  
9.    
10. int main(void)  
11. {  
12.    printf("%d\n", sizeof(int));  
13.    printf("%d\n", sizeof(char));  
14.    printf("%d\n", sizeof(struct X));  
15. }  

第一个候选者：它将打印出4,1,12.

你：确实，在我的机器上得到了这个结果。

候选者：当然。因为sizeof返回字节数，在32位机器上，C语言的int类型是32位，或是4个字节。char类型是一个字节长度。在struct中，本例会以4字节来对齐。

你：好。

你心里默念：do you want another ice cream?（不知道有什么特别情绪）

  

第二个候选者：恩。首先，先完善一下代码。sizeof的返回值类型是site_t，并不总是与int类型一样。因此，printf中的输出格式%d，不是一个很好的说明符。

你：好。那么，应该使用什么格式说明符？

候选者：这有点复杂。site_t是一个无符号整型数，在32位机器上，它通常是一个无符号的int类型的数，但是在64位机器上，它通常是一个无符号的long类型的数。然而，在C99中，针对site_t类型，指定了一个新的说明符，所以，%zu会是一个不多的选择。

你：好。那我们先完善这个说明符的bug。你接着回答这个问题吧。

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdio.h>  
2.    
3. struct X  
4. {  
5.    int a;  
6.    char b;  
7.    int c;  
8. };  
9.    
10. int main(void)  
11. {  
12.    printf("%zu\n", sizeof(int));  
13.    printf("%zu\n", sizeof(char));  
14.    printf("%zu\n", sizeof(struct X));  
15. }  
16.    

候选者：这取决与平台，以及编译时的选项。唯一可以确定的是，sizeof(char)是1.你要假设在64位机器上运行吗？

你：是的。我有一台64位的机器，运行在32位兼容模式下。

候选者：那么由于字节对齐的原因，我觉得答案应该是4,1,12.当然，这也取决于你的编译选项参数，它可能是4,1,9.如果你在使用gcc编译的时候，加上-fpack-struct,来明确要求编译器压缩struct的话。

你：在我的机器上确实得到了4,1,12。为什么是12呢？

候选者：工作在字节不对齐的情况下，代价非常昂贵。因此编译器会优化数据的存放，使得每一个数据域都以字边界开始存放。struct的存放也会考虑字节对齐的情况。

你：为什么工作在字节不对齐的情况下，代价会很昂贵？

候选者：大多数处理器的指令集都在从内存到cpu拷贝一个字长的数据方面做了优化。如果你需要改变一个横跨字边界的值，你需要读取两个字，屏蔽掉其他值，然后改变再写回。可能慢了10不止。记住，C语言很注意运行速度。

你：如果我得struct上加一个char d，会怎么样？

候选者：如果你把char d加在struct的后面，我预计sizeof(struct X)会是16.因为，如果你得到一个长度为13字节的结构体，貌似不是一个很有效的长度。但是，如果你把char d加在char  b的后面，那么12会是一个更为合理的答案。

你：为什么编译器不重排结构体中的数据顺序，以便更好的优化内存使用和运行速度?

候选者：确实有一些语言这样做了，但是C/C++没有这样做。

你：如果我在结构体的后面加上char *d，会怎么样？

候选者：你刚才说你的运行时环境是64位，因此一个指针的长度的8个字节。也许struct的长度是20？但是另一种可能是，64位的指针需要在在效率上对齐，因此，代码可能会输出4,1,24？

你：不错。我不关心在我的机器上会得到什么结果，但是我喜欢你的观点以及洞察力J

(未完待续)