Deep C 心得 -- Part 1 (C)

為了增進對C語言的認識，我這幾天看了些成大資工"2016年系統軟體課程"分享的資料
以下是我看Olve Maudal 的投影片：Deep C 的心得
(為了了解內容我有參考wiki跟jserv大的C語言講座)
本文只有提到C的部份，C++的部份會另外寫。
投影片連結：
http://slideshare.net/olvemaudal/deep-c

1. 指出以下程式碼的結果與缺失

• 需 #include <stdio.h> 以明確宣告printf函式
• 若使用C++編譯器編譯會失敗，因為C++編譯器需要明確(explicit)宣告使用函式。
• 一般的C編譯器在函式未宣告的情況下會自動新增implicit宣告函式。
• 當連結(link)到標準函式庫，編譯器會找到prinf這個函式
• main為int型態卻沒有回傳值(return 0)
• C99或更新的版本，main的回傳值為執行的成功(0)與否
• 但是ANSI C或K&R C，在這種情況下回傳值為未定義(undefined)
• 有可能是3(因為printf的回傳值為輸出的char數)
• 標準C應該要用main(void) (void表示不需要額外參數)
• 標準C表示程式碼必須以一個空行做結。

 2. C語言的變數宣告

• static變數和global(全域)變數(被宣告在main外面)被宣告時自動被預設為0，非static變數(在{}之內時被自動設為auto)宣告時預設值為undefined，這是因為
• "預設變數為0"這個動作是要額外消耗CPU的，而C語言是非常在乎程式效能的，所以在不需要的情況下不會刻意去做這種消耗CPU的事。
• static跟global變數是被存在Data(有初始值)或BSS(無初始值)內，這兩個區塊中的變數都是在編譯期就會固定住變數的位址，所以被預設為0不會影響到執行的效率。此兩種變數的生命期跟程式的執行期一樣長
• 而auto變數是被儲存在stack裏面，其位址並沒有被固定住。此種變數的生命期只限於宣告位置前後的{}。
• static變數的影響力只限宣告該變數的檔案，global變數的影響力括及其他的obj檔案。
• 但是在C++的情況下，static變數是被預設成"某個預設值"(naive的情況就是0)
• 使用malloc/calloc/realloc宣告的某pointer空間，其生命期截止於free該pointer的時候

3. 預測以下程式碼的結果

• a預設值為undefined
• 但在除錯模式的情況下，執行期有可能代為執行memset使得預設值為0
• 依本程式來看，a宣告的時候有可能都出現在stack內同樣的address中，所以本程式的執行結果可能會顯示出3個連續的數列(ex: 1,2,3 or 0,1,2 or 22,23,24)，不過這視編譯最佳化的結果而定。

4.  最佳化參數的影響
預測以下程式碼的結果並解釋原因

• 沒最佳化的情況會是42
• 有最佳化的可能情況：
• 省去bar()，反正沒影響
• foo會變成main內的inline函式(反正沒其他函式會呼叫，這樣節省函式調用時間)
• 所以結果可能會變成某個奇怪的數字(undefined)
• 平常儘可能用最佳化參數，以發現潛在的問題。

5. 關於sequence point(順序點)：
順序點是副作用發生與否的分界點，在順序點左邊的表示已經發生，右邊的還未發生。在兩個順序點之間變量只能改變一次，不然結果會是undefined。ex: (i=i++; 在分號前i的值改變兩次，結果會是undefined)。C/C++裡的順序點其實不多，大致如下：

• &&, ||, 或?(三元運算符)
  ex: (*a++ != 0 && *b++ != 0) -> 會先算出*a++ != 0，再算出*b++ != 0，然後比較&&
• 完整表達式(用;當然這有點廢話)
• 以逗號分開的變數初始化
  ex: int a[3] = {b++,c--,d(101)};  int x=a++, y=a++; 一定是從左到右(好像是從C++11開始？)
• 函式的進入點
  ex: f(i++) + g(j++) + h(k++), 進入函式f/g/h的是增加過後的i/j/k，不過f/g/h哪個函式先開始呼叫並沒有指定(unspecified behavior)。
• 涉及到I/O
  ex: printf("Bug %n %d", &a, 11);  在printf %d前會先執行%n(類似fprintf出多少char)的動作(這裡有爭議)

6. 關於sizeof

• 此為size_t變數，在32bit的機器上通常為unsigned int，而在64bit的機器上通常為unsigned long
• 所以printf的時候有時會出問題，不能都用%u或%lu。C99以後可以用%zu代表size_t的變數

7. 關於word alignment(對齊)：變數大小對齊有助於改善效能
預測以下程式碼的結果並說明原因(假設為64bit機器)：

• 若有類似gcc中-fpack-struct的參數去收緊struct大小，結果會是4,1,9(不做alignment)
• 有word alignment的情況下會是4,1,12
• 若是在struct X中多加一個char d;
• 如果char d;在int c;後面，可能會變成4,1,16
• 如果char d;在char b;後面，可能會維持4,1,12
• 結論是看最佳化的演算法而定
•  若是在struct X中多加一個char* d;
• 以alignment的結果而定，有可能會是4,1,20或4,1,24
• C/C++編譯器並不會以紀錄struct內變數成員的方法去做最佳化

 8. C語言的精神：

• 相信coder的能力
• 語言本身儘可能設計得簡單扼要
• 只允許單一方法完成一個動作
• 執行起來愈快愈好，就算要讓程式本身大一點
• 維護起來簡單
• 不會阻止coder去做必須要做的事(因為相信coder)