[分享] Deep C (by Olve Maudal et al.) 心得

[wtchen (沒有存在感的人)]

本文同步分享在：http://gnitnawtw.blogspot.fr/2016/03/deep-c-c.html

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。
(有錯請不吝指正)

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
int main()
{
  int a = 42;
  printf("%d\n", a);
}

- 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。

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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

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3.預測以下程式碼的結果

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
  int a;
  ++a;
  printf("%d\n", a);
}

int main(void)
{
  foo();
  foo();
  foo();
}


  - 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。

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4.最佳化參數的影響
預測以下程式碼的結果並解釋原因
#include <stdio.h>

void foo(void)
{
  int a;
  printf("%d\n", a);
}

void bar(void)
{
  int a=42;
}

int main(void)
{
  bar();
  foo();
}

  - 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。

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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不在規範內(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)

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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

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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)：

#include <stdio.h>

Struct X {int a; char b; int c;};

int main(void) {
  printf("%zd\n", sizeof(int));
  printf("%zd\n", sizeof(char));
  printf("%zd\n", sizeof(struct X));
}

  - 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
    (這點老實說我搞不清楚)

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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)

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C++的部份等我搞懂再寫(我C++算很不熟了....)

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 86.200.224.29
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/C_and_CPP/M.1459283703.A.6C9.html
→ Schottky: 「給你一條夠長的繩子，相信你不會簡簡單單就勒死自己」
→ MOONRAKER: printf(%d\n, a); 第一頁我只看到這個無敵大缺失
→ MOONRAKER: 大概跟通古斯卡大爆炸一樣大 相形之下其他微不足道
感謝更正
因為我也是邊看邊查資料邊寫note，難免有缺漏之處，請多包涵！
※ 編輯: wtchen (86.200.224.29), 03/30/2016 15:45:39
推 descent: 感謝分享
推 FRAXIS: 第二點 其實是在討論 scope/linkage/namespace/life time
推 FRAXIS: 不知道書上有沒有深入探討
如果有人知道哪邊有這方面較好的文章請告訴我，
slides本身並沒提到這麼多，有些我是根據wiki跟jserv的C語言講座歸納出來的

推 FRAXIS: 第五點 f/g/h哪個函式先開始呼叫 <- 應該是 unspecified
→ FRAXIS: behavior 而不是 undefined behavior
感謝指正(昨天邊頭痛邊寫大概腦子壞掉了，心裡想的跟打出來的不一樣)

→ FRAXIS: 而且我不太理解 I/O 那部分跟 sequence point 有什麼關係
這邊我昨天看wiki(slide本身沒這段)的時候也半信半疑，後來寫了個code驗證：

wiki上是寫：
After the action associated with input/output conversion format specifier.
For example, in the expression printf("foo %n %d", &a, 42),
there is a sequence point after the %n is evaluated before printing 42.
看起來是說，在印出42之前，會先做%n把a的值更新。

以下是我的測試碼：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned int a=0;
    printf("T1 %n %u\n", &a, a);
    printf("a=%d\n", a);
    printf("Tes2 %n %u\n", &a, a);
    printf("a=%d\n", a);
    printf("Test3 %u %n\n", a, &a);
    printf("a=%u\n", a);

    return 0;
}

印出結果：
T1  0
a=3
Tes2  3
a=5
Test3 5
a=8

看起來是，不論%n在前面還是在後面，printf都先顯示a原來的值，
後來才執行%n改變a，這好像跟wiki說的不同？
※ 編輯: wtchen (86.200.224.29), 03/30/2016 22:56:41
推 WorkForFree: https://goo.gl/idBJ55
→ WorkForFree: 也可以看這個，卡內基美隆分享的一系列安全的規範，
→ WorkForFree: 不只有C還有其他的語言。
推 littleshan: C的精神其實是worse is better，C code一點也不好維護
→ littleshan: C刻意設計得讓compiler容易做，這和「讓語言簡單扼要
→ littleshan: 」有相當微妙的差異。
Slide 原文是
Keep the language small and simple
Maintain conceptual simplicity
(會錯意的話請指正，畢竟在下不是專家)
※ 編輯: wtchen (86.200.224.29), 03/31/2016 01:57:53
推 littleshan: 不一定是你會錯意，作者可能也沒區分出兩者的不同
→ littleshan: worse is better 可以看看這篇 https://goo.gl/q7rDZ4
這篇剛剛看完，我的理解是worse-is-better是為了能讓
source code能更容易被不同系統使用(更容易推廣)而做出的妥協。
如果是hardware相關的可以理解，但是若是純演算的情況下....

→ Caesar08: C++ Philosophy                 https://goo.gl/udVmr8
※ 編輯: wtchen (86.200.224.29), 03/31/2016 17:31:56