重新认识C语言

1.缘起

  接触C语言有三四年时间了，工作中也一直使用C语言。但对于一些C语言的特性和定义还存在一些疑问，这里总结一下，作为以后参考。

2.C语言的链接属性

 工作中无意发现了C语言一个有趣的问题，在两个源文件中定义了同一个未初始化的变量，编译器竟然不报错，但是如果在其中一个文件中定义并初始化，那就会报错。我测试使用的代码如下(测试环境window7（32位）gcc 4.5.0)：

main.c:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

/* main.c */ #include <stdio.h>   char   G_TestValue; int    G_TestValue2; void  PrintTestValue( void ); int  main( int  argc, char  *argv[]) {                  PrintTestValue();      printf ( "main:\t\t(&G_TestValue)=0x%08x\n\t\t"            "(G_TestValue)=%d\n\t\tsizeof((G_TestValue))=%d\n"            "\t\tG_TestValue2=%d\n"            "\t\t&G_TestValue2=0x%08x\n"            ,&(G_TestValue),G_TestValue,  sizeof (G_TestValue),G_TestValue2,&G_TestValue2);      return  0; }

global_test.c:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

/* global_test.c*/ #include <stdio.h>   typedef  struct  test_struct_t{      char  a;      int  b; } TestStruct_t;   TestStruct_t G_TestValue = {2,8}; int    G_TestValue2;  void  PrintTestValue( void ) {        printf ( "PrintTestValue:\t(&G_TestValue)=0x%08x\n\t\t"             "(G_TestValue.a)=%d\n\t\tsizeof(G_TestValue)=%d\n"             "\t\tG_TestValue2=%d\n"             "\t\t&G_TestValue2=0x%08x\n"             ,&(G_TestValue), G_TestValue.a,  sizeof (G_TestValue),G_TestValue2,&G_TestValue2);      printf ( "-----------------------------------------\n" ); }

Makefile：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

test: global_test.o  main.o       gcc -o test global_test.o main.o -std=gnu99 global_test.o: global_test.c      gcc -c global_test.c  -std=gnu99 main.o: main.c      gcc -c main.c  -std=gnu99       clean:      rm *.o test

代码执行结果如下：

  根据上述代码的分析，我们发现这样一个现象，在main.c文件里定义了char型变量G_TestValue但未初始化，在global_test.c文件里定义了结构体类型的变量G_TestValue同时并初始化了，两个文件里都定义了同一个全局变量，一个未初始化，一个初始化了。编译上述程序时并未报错，运行结果发G_TestValue的地址是一样的（本人实验环境下是(&G_TestValue)=0x00402000），并且在main.c中打印出的G_TestValue的值为2（即在global_test.c文件里定义并初始化的值）.这也就说明C语言链接器链接时，为这个变量只分配了一个存储空间，如果两次定义同一个变量名称的类型不一样，以占用空间大的那一个来分配空间。另外我使用G_TestValue2做了验证，在两个文件都定义了并且都没有初始化，从打印结果看，他们是同一个地址。

为什么会这样呐？

这涉及到C编译器对多重定义的全局符号的解析和链接。在编译阶段，编译器将全局符号信息隐含地编码在可重定位目标文件的符号表里。这里有个“强符号(strong)”和“弱符号(weak)”的概念——前者指的是定义并且初始化了的变量，比如global_test.c里的结构体G_TestValue，后者指的是未定义或者定义但未初始化的变量，比如main.c里的整型G_TestValue和G_TestValue2，当符号被多重定义时，GNU链接器(ld)使用以下规则决议：

• 不允许出现多个相同强符号。

• 如果有一个强符号和多个弱符号，则选择强符号。

• 如果有多个弱符号，那么先决议到size最大的那个，如果同样大小，则按照链接顺序选择第一个。

像上面这个例子中，全局变量G_TestValue存在重复定义。如果我们将main.c中的b初始化赋值，那么就存在两个强符号而违反了规则一，编译器报错。如果满足规则二，则仅仅提出警告，实际运行时决议的是global_test.c中的强符号。而变量global_test2都是弱符号，所以只选择一个（按照目标文件链接时的顺序）。

关于C语言的链接属性最权威的解释是在ISO/IEC 9899 Programming languages — C（见文章附件）的6.2.2章节，有兴趣的哥们可以下载下来看看。另外推荐一篇关于C语言链接属性描述不错的文章：C语言中标识符的作用域、命名空间、链接属性、生命周期、存储类型。

具体关于linker相关的知识，比较系统的可以参阅：linker and loader。

3.malloc的申请空间、及释放空间

 有一天上班，想到这样一个问题：定义了一个结构体类型，成员变量有一个指针行变量。定义一个结构体类型的变量，为其分配空间，然后再给成员变量分配空间，释放结构体变量时，是否释放了结构体成员变量申请的空间？还是需要单独进行释放？

为了测试这种情况，写了代码想验证一下：

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/* main.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef  struct  malloc_test_tag {      char  *str;      int   n; }MallocTest_t ,*P_MallocTest_t;     int  main( int  argc, char  *argv[]) {      P_MallocTest_t test,saved_test;      printf ( "malloc for test\n" );      test = (P_MallocTest_t)    malloc ( sizeof (MallocTest_t));      if  (NULL == test )       {         exit  (1);       }       printf ( "the address of (test) = 0x%x\n" ,test);      saved_test = test;      printf ( "malloc for test->str\n" );      test->str = ( char  *) malloc (6);      if  (NULL == test->str)          {               exit  (1);          }       printf ( "the address of (test->str[0]) = 0x%x\n" ,test->str);            printf ( "-----------------------------------------\n" );            printf ( "free for test->str\n" );      free (test->str);            printf ( "free for test\n" );      free (test);      test = NULL;                  printf ( "malloc for test again!!!\n" );      test = (P_MallocTest_t)    malloc ( sizeof (MallocTest_t));      if  (NULL == test )           {                  exit  (1);           }       printf ( "the address of (test) = 0x%x\n" ,test);      printf ( "malloc for test->str again!!!!\n" );      test->str = ( char  *) malloc (6);      if  (NULL == test->str)           {                  exit  (1);           }       printf ( "the address of (test->str[0]) = 0x%x\n" ,test->str);            printf ( "free for test->str 2\n" );      free (saved_test->str);      saved_test->str = NULL;            printf ( "free for test 2\n" );      free (test);      test = NULL;              return  0; }

测试思路是这样，根据malloc基本原理，申请后接着再申请，申请的是上次释放的空间。我先申请test所需要的结构体空间，再接着申请结构体成员变量test->str的空间，然后释放test->str的空间，释放test空间，再接着申请上述两个空间。执行结果是这样的：

可以看到两次申请的test->str空间是一样的，都是the address of (test->str[0]) = 0x4c0ed0。

然后，我在试验第一次申请test->str空间后不释放，在第二次申请中重新申请空间。代码执行情况如下：

可以看到两次申请的test->str空间是不一样的，一个是the address of (test->str[0]) = 0x4c0ed0，一个是the address of (test->str[0]) = 0x570ee0。

从上面的实验我们可以看到，使用malloc、free管理内存空间时，malloc和free为基本单元的，你使用malloc申请多大的空间，就应该在使用完毕后，free多大的空间。向上面的例子中，你在结构体内又申请的空间，需要单独释放。个人猜想，malloc和free的基本实现：系统管理着一段内存空间（堆），你使用malloc申请的时候，系统会记住你申请空间首地址，你申请的大小等信息，当你free时会根据你要释放的内存地址，然后查询你申请空间时系统记录的大小等其他信息，进行释放操作。因此，你释放malloc申请的空间时，传的地址参数应该是你申请空间得到的那个地址，否则free函数可能执行失败。

 

4.C语言变长数组

 C99规范里规定了可以使用变长数组，只是知道，但实际项目中没用过。我写了以下代码：

 

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/* main.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h>   int  n = 10; int  test_array[n] = {1,2,3,4,5,};   int  main( int  argc, char  *argv[]) {            printf ( "the value test_array[0] is %d\n" ,test_array[0]);      return  0; }

但编译的时候给了报了一堆错误：

其中第一句 error：定义了一个变长数组在文件作用域。咦，奇怪，C99不是支持定义变长数组吗？我的编译器是指定使用C99标准编译的呀！

后来我将

int n = 10;

int test_array[n] = {1,2,3,4,5,};

挪到了函数内部，就没有错误了。后来查阅ISO/IEC 9899 Programming languages — C得知，C99不支持文件作用域的变长数组定义和使用。并且变长数组不支持初始化。只能定义好变量后赋值。了然了之后，做了以下测试：

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/* main.c */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h>     void  test( int  n) {      char  test_array[n];      printf ( "the size of test_array is %d\n" , sizeof (test_array)); } int  main( int  argc, char  *argv[]) {      int  n = 10;      int  test_array[n];      test_array[0] = 10;      printf ( "the value test_array[0] is %d\n" ,test_array[0]);            test(4);      test(5);      return  0; }

看来C99支持的这个变长数组，还是挺有用的哈。

5.C语言长语句分割、换行

 写代码时一个语句太长，C有用支持直接分割吗？

 

1 2 3 4 5

printf ( "PrintTestValue:\t(&G_TestValue)=0x%08x\n\t\t"             "(G_TestValue.a)=%d\n\t\tsizeof(G_TestValue)=%d\n"             "\t\tG_TestValue2=%d\n"             "\t\t&G_TestValue2=0x%08x\n"             ,&(G_TestValue), G_TestValue.a,  sizeof (G_TestValue),G_TestValue2,&G_TestValue2);

C语言的语句分割符号是分号，空格和换行会被解析器忽略掉，所以一般语句可以分开多行书写。

像上面的printf函数，前面的格式化语句需要在每行都加上双引号。

还有宏定义时比较特殊：

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#define SAFE_DELETE(p)     \            do                \            {                \                delete  p;    \                p = NULL;    \            }                 \            while (0)

需要使用‘\’分隔符对语句进行换行。

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