C 語言新手十誡（增修一版）

[khoguan (Khoguan Phuann)]

  C 語言新手十誡(The Ten Commandments for Newbie C Programmers)

                                                       by Khoguan Phuann
請注意：

(1) 本篇旨在提醒新手，避免初學常犯的錯誤（其實老手也常犯:-Q)。
    但不能取代完整的學習，請自己好好研讀一兩本 C 語言的好書，
    並多多實作練習。

(2) 強烈建議新手先看過此文再發問，你的問題極可能此文已經提出並
    解答了。

(3) 以下所舉的錯誤例子如果在你的電腦上印出和正確例子相同的結果，
    那只是不足為恃的一時僥倖。

(4) 不守十誡者，輕則執行結果的輸出數據錯誤，或是程式當掉，重則
    引爆核彈、毀滅地球（如果你的 C 程式是用來控制核彈發射器的話）。


一、你不可以使用尚未給予適當初值的變數。

    錯誤例子：
    int accumulate(int max)    /* 從 1 累加到 max，傳回結果 */
    {
        int sum;    /* 未給予初值的區域變數，其內容值是垃圾 */
        int num;
        for (num = 1; num <= max; num++) {
            sum += num;
        }
        return sum;
    }

    正確例子：
    int accumulate(int max)
    {
        int sum = 0;    /* 正確的賦予適當的初值 */
        int num;
        for (num = 1; num <= max; num++) {
            sum += num;
        }
        return sum;
    }

二、你不可以存取超過陣列既定範圍的空間。

    錯誤例子：
    int str[5];
    int i;
    for (i = 0; i <= 5; i++) str[i] = i;

    正確例子：
    int str[5];
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++) str[i] = i;

    說明：宣告陣列時，所給的陣列元素個數值如果是 N, 那麼我們在後面
    透過 [索引值] 存取其元素時，所能使用的索引值範圍是從 0 到 N-1,
    也就是 C 和 C++ 的陣列元素是從第 0 個開始算起，最後一個元素的
    索引值是 N-1, 不是 N。

    C/C++ 為了執行效率，並不會自動檢查陣列索引值是否超過陣列邊界，
    我們要自己寫程式來確保不會越界。一旦越界，將導致無法預期的後果。

三、你不可以提取(dereference)不知指向何方的指標（包含 null 指標）。

    錯誤例子：
    char *pc1;      /* 未給予初值，不知指向何方 */
    char *pc2 = 0;  /* pc2 起始化為 null pointer */
    *pc1 = 'a';     /* 將 'a' 寫到不知何方，錯誤 */
    *pc2 = 'b';     /* 將 'b' 寫到「位址0」，錯誤 */

    正確例子：
    char c;          /* c 的內容尚未起始化 */
    char *pc1 = &c;  /* pc1 指向字元變數 c */

    /* 動態分配 10 個 char(其值未定),並將第一個char的位址賦值給 pc2 */
    char *pc2 = (char *)malloc(10);
    *pc1 = 'a';      /* c 的內容變為 'a' */
    pc2[0] = 'b';    /* 動態配置來的第 0 個字元，內容變為 'b'
    /* 最後記得 free() 掉 malloc() 所分配的空間 */
    free(pc2);

    說明：指標變數必需先指向某個明確的東西(object)，才能進行操作。

四、你不可以將字串常數賦值(assign)給 char* 變數，然後透過該變數
    改寫字串的內容（只能讀不能寫）。

    錯誤例子：
    char* pc = "john";
    *pc = 'J';
    printf("Hello, %s\n", pc);

    正確例子：
    char pc[] = "john";
    *pc = 'J';  /* 或  pc[0] = 'J';  */
    printf("Hello, %s\n", pc);

    說明：字串常數的內容是唯讀的。上面的錯誤例子，是將其內容所在的位址賦
    值給字元指標 pc, 我們透過指標只可以去讀該字串常數的內容，而不應該做
    寫入的動作。而正確例子，則是另外宣告一個獨立的字元陣列，它的大小我們
    未明文指定（[]），編譯器會自動將其設為剛好可以容納後面的字串常數起始
    值的大小，包括字串後面隱含的 '\0' 字元，並將字串常數的內容複製到字元
    陣列中，因此可以自由的對該字元陣列的內容進行讀和寫。

    錯誤例子(2)：
    char *s1 = "Hello, ";
    char *s2 = "world!";
    /* strcat() 不會另行配置空間，只會將資料附加到 s1 所指唯讀字串的後面，
       造成寫入到程式無權碰觸的記憶體空間 */
    char *s3 = strcat(s1, s2);

    正確例子(2)：
    /* s1 宣告成陣列，並保留足夠空間存放後續要附加的內容 */
    char s1[20] = "Hello, ";
    char *s2 = "world!";
    /* 因為 strcat() 的返回值等於第一個參數值，所以 s3 就不需要了 */
    strcat(s1, s2);

五、你不可以對尚未分配所指空間的 char* 變數，進行(字串)陣列的相關操作。
    其他型別的指標亦然。

    錯誤例子：
    char *name;   /* name 尚未指向有效的空間 */
    printf("Your name, please: ");
    gets(name);
    printf("Hello, %s\n", name);

    正確例子(1)：
    /* 如果編譯期就能決定字串的最大空間，那就不要宣告成 char* 改用 char[] */
    char name[21]; /* 字串最長 20 個字元，另加一個 '\0' */
    printf("Your name, please: ");
    gets(name);
    printf("Hello, %s\n", name);

    正確例子(2)：
    /* 若是在執行時期才能決定字串的最大空間，則需利用 malloc() 函式來動態
       分配空間 */

    size_t length;
    char *name;
    printf("請輸入字串的最大長度(含null字元): ");
    scanf("%u", &length);
    name = (char *)malloc(length);
    printf("Your name, please: ");
    scanf("%s", name);
    printf("Hello, %s\n", name);
    /* 最後記得 free() 掉 malloc() 所分配的空間 */
    free(name);

    注意：上例用 gets() 或 scanf() 來讀入字串，是不安全的。 因為這些函式
    不會幫我們檢查使用者所輸入的字串長度是否超過我們所分配的 buffer 空間，
    很可能會發生 buffer overflow。比較安全的做法是用 fgets() 來取代。如：

    char *p;
    char name[21];
    printf("Your name, please: ");
    fgets(name, sizeof(name), stdin);
    /* fgets()會連行末的'\n'也讀進字串中，所以要找出存入'\n'的位置，填入 '\0'
    if ((p = strchr(name, '\n')) != NULL)
        *p = '\0';
    printf("Hello, %s\n", name);

六、你不可以在函式中回傳一個指向區域性自動變數的指標。否則，會得到垃圾值。
    [感謝 gocpp 網友提供程式例子]

    錯誤例子：
    char *getstr(char *name)
    {
        char buf[30] = "hello, "; /*將字串常數"hello, "的內容複製到buf陣列*/
        strcat(buf, name);
        return buf;
    }

    說明：區域性自動變數，將會在離開該區域時(本例中就是從getstr函式返回時)
    被消滅，因此呼叫端得到的指標所指的字串內容就失效了。【不過，倒是可以從
    函式中直接傳回字串常數，賦值給呼叫端的一個 const char * 變數，它既是唯
    讀的（參見第四誡），同時也具有恒常的儲存期(static storage duration),其
    內容將一直有效。】

    正確例子：
    void getstr(char buf[], int buflen, char const *name)
    {
        char const s[] = "hello, ";
        assert(strlen(s) + strlen(name) < buflen);

        strcpy(buf, s);
        strcat(buf, name);
    }

    [針對字串操作，C++提供了更方便安全的 string class, 能用就盡量用]
    #include <string>
    using std::string;

    string getstr(string const &name)
    {
        return string("hello, ") += name;
    }

七、你不可以只做 malloc(), 而不做相應的 free(). 否則會造成記憶體漏失。

    但若不是用 malloc() 所得到的記憶體，則不可以 free()。已經 free()了
    所指記憶體的指標，在它指向另一塊有效的動態分配得來的空間之前，不可
    以再被 free()，也不可以提取(dereference)這個指標。

    [C++] 你不可以只做 new, 而不做相應的 delete.

八、你不可以在數值運算、賦值或比較中隨意混用不同型別的數值，而不謹慎考
    慮數值型別轉換可能帶來的「意外驚喜」（錯愕）。必須隨時注意數值運算
    的結果，其範圍是否會超出變數的型別。

    錯誤例子(1)：
    unsigned int sum = 2000000000 + 2000000000; /* 20 億 */
    double f = 10 / 3;

    正確例子(1)：
    /* 全部都用 unsigned int, 注意數字後面的 u, 大寫 U 也成 */
    unsigned int sum = 2000000000u + 2000000000u;

    /* 或是用顯式的轉型 */
    unsigned int sum = (unsigned int)2000000000 + 2000000000;

    double f = 10.0 / 3.0;

    說明：在目前最普遍的32位元PC作業平台上，整數常數2000000000的型別為
    signed int(簡寫為 int)，相加後，其結果仍為 int, 但是 signed int
    放不下 4000000000, 造成算術溢位(arithmetic overflow)，很可能無法
    將正確的值指派給 unsigned int sum，縱使 unsigned int 放得下4000000000
    的數值。注意：寫成

    unsigned int sum = (unsigned int)(2000000000 + 2000000000);

    也是不對的。

    例子(2)：（感謝 sekya 網友提供）
    unsigned char a = 0x80;
    char b = 0x80;           /* implementation-defined result */
    if( a == 0x80 ) {        /* 恒真 */
        printf( "a ok\n" );
    if( b == 0x80 ) {        /* 不一定恒真 */
        printf( "b ok\n" );
    }

    說明：在將 char 型別定義為範圍從 -128 至 +127 的系統上，int 0x80
    （其值等於 +128）要轉成 char 會放不下，會產生編譯器自行定義的值。
    這樣的程式就不具可移植性了。

九、你不可以在一個運算式(expression)中，對一個基本型態的變數修改其值
    超過一次以上。否則，將導致未定義的行為(undefined behavior)。

    錯誤例子：
    int i = 7;
    int j = ++i + i++;

    正確例子：
    int i = 7;
    int j = ++i;
    j += i++;

    你也不可以在一個運算式(expression)中，對一個基本型態的變數修改其值，
    而且還在同一個式子的其他地方為了其他目的而存取該變數的值。（其他目的，
    是指不是為了計算這個變數的新值的目的）。否則，將導致未定義的行為。

    錯誤例子：
    int arr[5];
    int i = 0;
    arr[i] = i++;

    正確例子：
    int arr[5];
    int i = 0;
    arr[i] = i;
    i++;

    [C++程式]
    錯誤例子：
    int i = 10;
    cout << i << "==" << i++;

    正確例子：
    int i = 10;
    cout << i << "==";
    cout << i++;

十、你不可以在macro的定義中，不為它的參數個別加上括號。

    錯誤例子：
    #include <stdio.h>
    #define SQUARE(x)    (x * x)
    int main()
    {
        printf("%d\n", SQUARE(10-5));
        return 0;
    }

    正確例子：
    #include <stdio.h>
    #define SQUARE(x)    ((x) * (x))
    int main()
    {
        printf("%d\n", SQUARE(10-5));
        return 0;
    }

    說明：如果是用 C++, 請多多利用 inline function 來取代上述的 macro,
    以免除 macro 定義的種種危險性。如：

    inline int square(int x) { return x * x; }

    macro 定義出的「偽函式」至少缺乏下列數項函式本有的能力：

    (1) 無法進行參數型別的檢查。
    (2) 無法遞迴呼叫。
    (3) 無法用 & 加在 macro name 之前，取得函式位址。
    (4) 呼叫時往往不能使用具有 side effect 的引數。例如：

    錯誤例子：（感謝 yaca 網友提供）
    #define MACRO(x)     (((x) * (x)) - ((x) * (x)))
    int main()
    {
        int x = 3;
        printf("%d\n", MACRO(++x));
        return 0;
    }

    MACRO(++x) 展開來後變成 (((++x) * (++x)) - ((++x) * (++x)))
    違反了第九誡。在 gcc 4.3.3 下的結果是 -24, 在 vc++ 下是 0.


後記：從「古時候」流傳下來一篇文章

      "The Ten Commandments for C Programmers"(Annotated Edition)
      by Henry Spencer
      http://www.lysator.liu.se/c/ten-commandments.html

      一方面它不是針對 C 的初學者，一方面它特意模仿中古英文
      聖經的用語，寫得文謅謅。所以我現在另外寫了這篇，希望
      能涵蓋最重要的觀念以及初學甚至老手最易犯的錯誤。

作者：潘科元(Khoguan Phuann) (c)2005. 感謝 ptt.cc BBS 的 C_and_CPP
      看板眾多網友提供寶貴意見及程式實例。

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