C語(yǔ)言編程核心要點(diǎn)，男人看了沉默，女人看了流淚
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引言
筆者有十余年的C++開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，相比而言，我的C經(jīng)驗(yàn)只有一兩年，C比較簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到《The C Programming Language》(C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言)只有區(qū)區(qū)的200多頁(yè)，相比上千頁(yè)的C++大部頭，不得不說(shuō)真的很人性化了。
C精簡(jiǎn)的語(yǔ)法集和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，讓我們可以把精力集中到設(shè)計(jì)等真正重要的事情上來(lái)，而不是迷失在語(yǔ)法的海洋里，這對(duì)于初學(xué)者尤其重要。雖然C有抽象不足的缺點(diǎn)，但我更喜歡它的精巧，只需要花少量的時(shí)間，研究清楚它每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，看任何C源碼就不會(huì)存在語(yǔ)法上的障礙，大家需要建立的知識(shí)共識(shí)足夠少，少即是多，少好于多。
我教過(guò)6個(gè)人編程，教過(guò)HTML，教過(guò)JAVA，也教過(guò)C++。最近，我在教我小孩編程，他只有十歲，很多人建議我選擇Python，但我最終選擇了C，因?yàn)镃簡(jiǎn)單且強(qiáng)大，現(xiàn)在看來(lái)，好像是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
類(lèi)型
C是強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言，有short、long、int、char、float、double等build-in數(shù)據(jù)類(lèi)型，類(lèi)型是貫穿c語(yǔ)言整個(gè)課程的核心概念。
struct、union、enum屬于c的構(gòu)造類(lèi)型，用于自定義類(lèi)型，擴(kuò)充類(lèi)型系統(tǒng)。
變量
變量用來(lái)保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是操作的對(duì)象，變量的變字意味著它可以在運(yùn)行時(shí)被修改。
變量由類(lèi)型名+變量名決定，定義變量需要為變量分配內(nèi)存，可以在定義變量的同時(shí)做初始化。
- int i;
- float f1 = 0.5, f2= 0.8;
常量
- const int i = 100;
- const char* p = "hello world";
運(yùn)行中恒定、不可變，編譯期便可確定。
數(shù)組
光有簡(jiǎn)單變量顯然不夠，我們需要數(shù)組，它模擬現(xiàn)實(shí)中相同類(lèi)型的多個(gè)元素，這些對(duì)象是緊密相鄰的，通過(guò)數(shù)組名+位置索引便能訪問(wèn)每個(gè)元素。
二維、三維、高緯數(shù)組本質(zhì)上還是線性的，二維數(shù)組通過(guò)模擬行列給人平面的感覺(jué)，實(shí)際存儲(chǔ)上還是連續(xù)內(nèi)存的方式。
數(shù)組是靜態(tài)的，在定義的時(shí)候，數(shù)組的長(zhǎng)度就已經(jīng)確認(rèn)，運(yùn)行中無(wú)法伸縮，所以有時(shí)候我們不得不為應(yīng)付擴(kuò)充多分配一些空間。數(shù)組元素不管用多用少，它都在哪里，有時(shí)候，我們會(huì)用一個(gè)int n去界定數(shù)組實(shí)際被使用的元素個(gè)數(shù)。
函數(shù)
函數(shù)封裝行為，是模塊化的最小單元，函數(shù)使得邏輯復(fù)用變得可能。
C是過(guò)程式的，現(xiàn)實(shí)世界都可以封裝為一個(gè)個(gè)過(guò)程(函數(shù))，通過(guò)過(guò)程串聯(lián)和編排模擬世界。
用C編程，行為和數(shù)據(jù)是分離的。調(diào)用函數(shù)的時(shí)候，調(diào)用者通過(guò)參數(shù)向函數(shù)傳遞信息，函數(shù)通過(guò)返回值向調(diào)用者反饋結(jié)果。
函數(shù)最好是無(wú)副作用的，函數(shù)內(nèi)應(yīng)該盡量避免修改全局變量或者靜態(tài)局部變量，更好的方式是通過(guò)參數(shù)傳遞進(jìn)來(lái)，這樣的函數(shù)只是邏輯的盒子，它滿足線程安全的要求。
有了變量和函數(shù)，就可以編寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序了。
控制語(yǔ)句
- 分支：if 、else、else if、switch case、?:
- 循環(huán)：while、do while、for
- break、continue、goto、default
結(jié)構(gòu)體
build-in數(shù)據(jù)類(lèi)型不足以描繪現(xiàn)實(shí)世界，或者用build-in類(lèi)型描述不夠直接，結(jié)構(gòu)體用來(lái)模擬復(fù)合類(lèi)型，它賦予了我們擴(kuò)充類(lèi)型系統(tǒng)的能力，我們把類(lèi)型組合到一起構(gòu)建更復(fù)雜的類(lèi)型，而每個(gè)被組合的成分就叫成員變量。
結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成分，對(duì)象通過(guò)點(diǎn)(.)運(yùn)算符，指針通過(guò)箭頭(->)訪問(wèn)成員。
指針
C的靈魂是指針，指針帶來(lái)彈性，指針的本質(zhì)是地址。
需要區(qū)分指針和指針指向的對(duì)象，多個(gè)指針變量可指向同一個(gè)對(duì)象，一個(gè)指針不能同時(shí)指向多個(gè)對(duì)象。
指針相關(guān)的基本操作包括：賦值(修改指針指向)，解引用(訪問(wèn)指針指向的對(duì)象)，取地址(&variable)，指針支持加減運(yùn)算。
因?yàn)橹羔樧兞恳芨采w整個(gè)內(nèi)存空間，所以指針變量的長(zhǎng)度等于字長(zhǎng)，32位系統(tǒng)下32位4字節(jié)，64位系統(tǒng)下64位8字節(jié)。
指針的含義遠(yuǎn)比上述豐富，指針跟數(shù)組結(jié)合便有了指針數(shù)組(int* p[n])和數(shù)組指針(int (*p)[n])，指針跟函數(shù)結(jié)合便有了函數(shù)指針(ret_type (*pf)(param list))，指針跟const結(jié)合便有了const char*/char* const/const char* const，還有指向指針的指針(int **p)。
既可以定義指向build-in數(shù)據(jù)類(lèi)型的指針，也可以定義指向struct的指針，void*表示通用(萬(wàn)能)指針，它不能被解引用，也不能做指針?biāo)阈g(shù)運(yùn)算。
函數(shù)指針與回調(diào)(callback)
c source code被編譯鏈接后，函數(shù)被轉(zhuǎn)換到可執(zhí)行程序文件的text節(jié)，進(jìn)程啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)把text節(jié)的內(nèi)容裝載到進(jìn)程的代碼段，代碼段是c進(jìn)程內(nèi)存空間的一部分，所以任何c函數(shù)都會(huì)占一塊內(nèi)存空間，函數(shù)指針就是指向函數(shù)在代碼段的第一行匯編指令，函數(shù)調(diào)用就會(huì)跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的第一個(gè)指令處執(zhí)行。
函數(shù)指針經(jīng)常被用來(lái)作為回調(diào)(callback)，c語(yǔ)言也會(huì)用包含函數(shù)指針成員的結(jié)構(gòu)體模擬OOP，本質(zhì)上是把C++編譯器做的事情，轉(zhuǎn)給程序員來(lái)做(C++為包含虛函數(shù)的類(lèi)構(gòu)建虛函數(shù)表，為包含虛函數(shù)的類(lèi)對(duì)象附加虛函數(shù)表的指針)。
字符串
char*是一類(lèi)特殊的指針，它被稱(chēng)為c風(fēng)格字符串，因?yàn)樗偸且?lsquo;\0’作為結(jié)尾的標(biāo)識(shí)，所以要標(biāo)識(shí)一個(gè)字符串，有一個(gè)char*指針就夠了，字符串的長(zhǎng)度被0隱式指出，跟字符串相關(guān)的STD C API大多以str打頭，比如strlen/strcpy/strcat/strcmp/strtok。
內(nèi)存和內(nèi)存管理
指針提供了c語(yǔ)言直接操作底層內(nèi)存的能力，c程序區(qū)分棧內(nèi)存和堆內(nèi)存，棧內(nèi)存是函數(shù)內(nèi)的局部變量，它隨程序執(zhí)行而動(dòng)態(tài)伸縮，所以不要返回臨時(shí)變量的指針，棧內(nèi)存容量有限(8/16M)，所以我們要避免在函數(shù)內(nèi)創(chuàng)建過(guò)大的局部變量，要警惕遞歸爆棧。
堆內(nèi)存也叫動(dòng)態(tài)內(nèi)存，它由一個(gè)叫動(dòng)態(tài)內(nèi)存配置器的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)組件管理，glibc的默認(rèn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存配置器叫ptmalloc，初始版本有性能問(wèn)題，但后面用線程私有解決了競(jìng)爭(zhēng)改善了性能。動(dòng)態(tài)內(nèi)存配置器是介于kernel與應(yīng)用層的一個(gè)層次，從內(nèi)核視角看ptmalloc是應(yīng)用程序，從應(yīng)用層來(lái)看ptmalloc又是系統(tǒng)庫(kù)。malloc跟free必須配對(duì)，這是程序員的職責(zé)，動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存丟失引用就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，指向已釋放的內(nèi)存塊俗稱(chēng)野(懸垂)指針。
預(yù)處理
從c source file到可執(zhí)行程序需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理-編譯-匯編-鏈接多個(gè)階段，預(yù)處理階段做替換、消除和擴(kuò)充，預(yù)處理語(yǔ)句以#打頭。
宏定義，#define，宏定義可以用\做行連接，#用來(lái)產(chǎn)生字符串，##用來(lái)拼接，宏定義的時(shí)候要注意加()避免操作符優(yōu)先級(jí)干擾，可以用do while(0)來(lái)把定義作為單獨(dú)語(yǔ)句，#undef是define的反操作。
#if #ifdef #ifndef #else #elif #endif用來(lái)?xiàng)l件編譯，為了避免頭文件重復(fù)包含，經(jīng)常用#ifndef #define #endif。
#include用來(lái)做頭文件包含;#pragma用來(lái)做行為控制;#error用來(lái)在編譯的時(shí)候輸出錯(cuò)誤信息。
__FILE__、__LINE__、_DATE_、_TIME_、_STDC_等標(biāo)準(zhǔn)預(yù)定義宏可以被用來(lái)做一些debug用途。
#typedef用來(lái)定義類(lèi)型別名。比如typedef int money_t;money_t比int更有含義。
typedef也能用來(lái)為結(jié)構(gòu)體取別名，有時(shí)候會(huì)這樣寫(xiě)：
- typedef struct
- {
- int a;
- int b;
- } xyz_t;
這樣在定義結(jié)構(gòu)體變量的時(shí)候就可以少敲幾下鍵盤(pán)。
typedef也可以用來(lái)重定義函數(shù)指針類(lèi)型，比如 typedef void (*PF) (int a, int b); PF是函數(shù)指針類(lèi)型，而非函數(shù)指針變量。
枚舉
枚舉能增加代碼可讀性和可維護(hù)性，枚舉本質(zhì)上是int，只是為了更有含義，將有限取值的幾個(gè)int值放在一組，比如定義性別：enum sex { male = 1, female };
可以在定義的時(shí)候賦值，比如male=1，后面的值依次遞增1，如果不賦值則從0開(kāi)始。
聯(lián)合體(union)
結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體(共用體)的區(qū)別在于：結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員會(huì)占用不同的內(nèi)存，互相之間沒(méi)有影響;而共用體的所有成員占用同一段內(nèi)存，修改一個(gè)成員會(huì)影響其余所有成員。
- union u_data
- {
- int n;
- char ch;
- double f;
- };
其實(shí)本質(zhì)上，聯(lián)合體就是對(duì)一塊內(nèi)存的多種解釋?zhuān)笮“醋畲蟮膩?lái)。
位域(bitfield)
- struct SNField
- {
- unsigned char seq:7 ; // frame sequnce
- unsigned char startbit:1 ; // indicate if it's starting frame 1 for yes.
- };
節(jié)省空間，在面向底層的編碼，或者編寫(xiě)處理網(wǎng)絡(luò)等程序時(shí)候用的比較多，注意這個(gè)語(yǔ)法特征是跟機(jī)器架構(gòu)相關(guān)的。
位操作
- 位與 &
- 位或 |
- 位取反 ~
- 位異或 ^
- 位移 << >>
static、extern、register、volatile、sizeof
- static修飾全局函數(shù)，表示模塊內(nèi)(編譯單元)內(nèi)可用，不需要導(dǎo)出全局符號(hào)。
- static修飾局部變量，意味超越函數(shù)調(diào)用的生命周期，不存儲(chǔ)在棧上，只會(huì)被初始化1次。
- extern聲明外部變量。
- register，寄存器變量，建議編譯器將變量放在寄存器里。
- volatile，告訴編譯器不要做優(yōu)化，每次從內(nèi)存讀取，不做寄存器優(yōu)化。
- sizeof求大小，可以作用于變量，類(lèi)型，表達(dá)式
可變參數(shù)
- void simple_printf(const char* fmt, ...)
- va_list、va_start、va_arg、va_end
C的高級(jí)感
- 泛型：linux內(nèi)核鏈表，通過(guò)offset和內(nèi)嵌node，寫(xiě)出泛型鏈表，參考：https://www.cnblogs.com/wangzahngjun/p/5556448.html
- OOP：通過(guò)定義帶函數(shù)指針成員變量的結(jié)構(gòu)體，在運(yùn)行中，為結(jié)構(gòu)體對(duì)象設(shè)置上函數(shù)指針，模擬運(yùn)行時(shí)綁定，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似OOP多態(tài)的感覺(jué)。
GNU C擴(kuò)展
GNU C擴(kuò)展不是標(biāo)準(zhǔn)C，建議以符合標(biāo)準(zhǔn)C的方式編寫(xiě)C代碼，但如果你閱讀linux kernel code，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多有趣看不懂的語(yǔ)法，它來(lái)自GNU C擴(kuò)展，它確實(shí)也帶來(lái)了一些便利性。
比如結(jié)構(gòu)體成員可以不按定義順序初始化：
- struct test_t { int a; int b; };
- struct test_t t1 = { .b = 1, .a = 2 };
比如可以通過(guò)指定索引初始化數(shù)組：
int a[5] = {[2] 5，[4] 9};
或 int a[5] = { [2] = 4, [4] = 9 };
相當(dāng)于int a[5] = {0, 0, 4, 0, 9};
或者int a[100] = {[0 ... 9] = 1, [10 ... 98] = 2, 3};
比如0長(zhǎng)度數(shù)組
- struct foo
- {
- int i;
- char a[0];
- };
比如用變量作為數(shù)組長(zhǎng)度
- void f(int n)
- {
- char a[n];
- ...
- }
比如case范圍，case 'A' ... 'Z' case 1 ... 10
比如表達(dá)式擴(kuò)展({...})，比如三元運(yùn)算符擴(kuò)展...
更多擴(kuò)展請(qǐng)參考：https://my.oschina.net/LinuxDaxingxing/blog/751319
