朱文昊評註：感謝Ritchie等先驅，他們的聰明才智和貢獻令人欽佩萬分。C語言的很多特性都有歷史的影子，隨著時間的流逝歷史逐漸沈積為基石。這樣，要學好用好C語言，除了可以多瞭解一下計算機科學的發展史，更應該多瞭解一些硬件相關的東西。推薦延伸閱讀資料：《C語言缺陷於陷阱》以及《C語言專家編程》

 

Dennis Ritchie  过世了，他发明了C语言，一个影响深远并彻底改变世界的计算机语言。一门经历40多年的到今天还长盛不衰的语言，今天很多语言都受到C的影响，C++，Java，C#，Perl， PHP， Javascript， 等等。但是，你对C了解吗？相信你看过本站的《C语言的谜题》还有《谁说C语言很简单？》，这里，我再写一篇关于深入理解C语言的文章，一方面是缅怀Dennis，另一方面是告诉大家应该如何学好一门语言。（顺便注明一下，下面的一些例子来源于这个slides）

首先，我们先来看下面这个经典的代码：

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

从这段代码里你看到了什么问题？我们都知道，这段程序里少了一个#include <stdio.h> 还少了一个return 0;的返回语句。

不过，让我们来深入的学习一下，

• 这段代码在C++下无法编译，因为C++需要明确声明函数
• 这段代码在C的编译器下会编译通过，因为在编译期，编译器会生成一个printf的函数定义，并生成.o文件，链接时，会找到标准的链接库，所以能编译通过。
•  但是，你知道这段程序的退出码吗？在ANSI-C下，退出码是一些未定义的垃圾数。但在C89下，退出码是3，因为其取了printf的返回值。为什么printf函数返回3呢？因为其输出了’4′, ’2′,’\n’ 三个字符。而在C99下，其会返回0，也就是成功地运行了这段程序。你可以使用gcc的 -std=c89或是-std=c99来编译上面的程序看结果。
• 另外，我们还要注意main()，在C标准下，如果一个函数不要参数，应该声明成main(void)，而main()其实相当于main(…)，也就是说其可以有任意多的参数。

我们再来看一段代码：

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#include <stdio.h>
 
void f(void)
 
{
 
static int a = 3;
 
static int b;
 
int c;
 
++a; ++b; ++c;
 
printf("a=%d\n", a);
 
printf("b=%d\n", b);
 
printf("c=%d\n", c);
 
}
 
int main(void)
 
{
 
f();
 
f();
 
f();
 
}

这个程序会输出什么？

• 我相信你对a的输出相当有把握，就分别是4，5，6，因为那个静态变量。
• 对于c呢，你应该也比较肯定，那是一堆乱数。
• 但是你可能不知道b的输出会是什么？答案是1，2，3。为什么和c不一样呢？因为，如果要初始化，每次调用函数里，编译器都要初始化函数栈空间，这太费性能了。但是c的编译器会初始化静态变量为0，因为这只是在启动程序时的动作。
• 全局变量同样会被初始化。

说到全局变量，你知道 静态全局变量和一般全局变量的差别吗？是的，对于static 的全局变量，其对链接器不可以见，也就是说，这个变量只能在当前文件中使用。

我们再来看一个例子：

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#include <stdio.h>
 
void foo(void)
 
{
 
int a;
 
printf("%d\n", a);
 
}
 
void bar(void)
 
{
 
int a = 42;
 
}
 
int main(void)
 
{
 
bar();
 
foo();
 
}

你知道这段代码会输出什么吗？A) 一个随机值，B) 42。A 和 B都对（在“在函数外存取局部变量的一个比喻”文中的最后给过这个例子），不过，你知道为什么吗？

• 如果你使用一般的编译，会输出42，因为我们的编译器优化了函数的调用栈（重用了之前的栈），为的是更快，这没有什么副作用。反正你不初始化，他就是随机值，既然是随机值，什么都无所谓。
• 但是，如果你的编译打开了代码优化的开关，-O，这意味着，foo()函数的代码会被优化成main()里的一个inline函数，也就是说没有函数调用，就像宏定义一样。于是你会看到一个随机的垃圾数。

下面，我们再来看一个示例：

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#include <stdio.h>
 
int b(void) { printf(“3”); return 3; }
 
int c(void) { printf(“4”); return 4; }
 
int main(void)
 
{
 
int a = b() + c();
 
printf(“%d\n”, a);
 
}

这段程序会输出什么？，你会说是，3，4，7。但是我想告诉你，这也有可能输出，4，3，7。为什么呢？ 这是因为，在C/C++中，表达的评估次序是没有标准定义的。编译器可以正着来，也可以反着来，所以，不同的编译器会有不同的输出。你知道这个特性以后，你就知道这样的程序是没有可移植性的。

我们再来看看下面的这堆代码，他们分别输出什么呢？

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int a=41; a++; printf(“%d\n”, a);
 
int a=41; a++ & printf(“%d\n”, a);
 
int a=41; a++ && printf(“%d\n”, a);
 
int a=41; if (a++ < 42) printf(“%d\n”, a);
 
int a=41; a = a++; printf(“%d\n”, a);

只有示例一，示例三，示例四输出42，而示例二和五的行为则是未定义的。关于这种未定义的东西是因为Sequence Points的影响（Sequence Points是一种规则，也就是程序执行的序列点，在两点之间的表达式只能对变量有一次修改），因为这会让编译器不知道在一个表达式顺列上如何存取变量的值。比如a = a++，a + a++，不过，在C中，这样的情况很少。

下面，再看一段代码：（假设int为4字节，char为1字节）

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struct X { int a; char b; int c; };
 
printf("%d,", sizeof(struct X));
 
struct Y { int a; char b; int c; char d};
 
printf("%d\n", sizeof(struct Y));

这个代码会输出什么?

a) 9，10
b)12, 12
c)12, 16

答案是C，我想，你一定知道字节对齐，是向4的倍数对齐。

• 但是，你知道为什么要字节对齐吗？还是因为性能。因为这些东西都在内存里，如果不对齐的话，我们的编译器就要向内存一个字节一个字节的取，这样一来，struct X，就需要取9次，太浪费性能了，而如果我一次取4个字节，那么我三次就搞定了。所以，这是为了性能的原因。
• 但是，为什么struct Y不向12 对齐，却要向16对齐，因为char d; 被加在了最后，当编译器计算一个结构体的尺寸时，是边计算，边对齐的。也就是说，编译器先看到了int，很好，4字节，然后是 char，一个字节，而后面的int又不能填上还剩的3个字节，不爽，把char b对齐成4，于是计算到d时，就是13 个字节，于是就是16啦。但是如果换一下d和c的声明位置，就是12了。

另外，再提一下，上述程序的printf中的%d并不好，因为，在64位下，sizeof的size_t是unsigned long，而32位下是 unsigned int，所以，C99引入了一个专门给size_t用的%zu。这点需要注意。在64位平台下，C/C++ 的编译需要注意很多事。你可以参看《64位平台C/C++开发注意事项》。

下面，我们再说说编译器的Warning，请看代码：

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#include <stdio.h>
 
int main(void)
 
{
 
int a;
 
printf("%d\n", a);
 
}

考虑下面两种编译代码的方式 ：

• cc -Wall a.c
• cc -Wall -O a.c

前一种是不会编译出a未初化的警告信息的，而只有在-O的情况下，才会有未初始化的警告信息。这点就是为什么我们在makefile里的CFLAGS上总是需要-Wall和 -O。

最后，我们再来看一个指针问题，你看下面的代码：

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#include <stdio.h>
 
int main(void)
 
{
 
int a[5];
 
printf("%x\n", a);
 
printf("%x\n", a+1);
 
printf("%x\n", &amp;a);
 
printf("%x\n", &amp;a+1);
 
}

假如我们的a的地址是：0Xbfe2e100, 而且是32位机，那么这个程序会输出什么？

• 第一条printf语句应该没有问题，就是 bfe2e100
• 第二条printf语句你可能会以为是bfe2e101。那就错了，a+1，编译器会编译成 a+ 1*sizeof(int)，int在32位下是4字节，所以是加4，也就是bfe2e104
• 第三条printf语句可能是你最头疼的，我们怎么知道a的地址？我不知道吗？可不就是bfe2e100。那岂不成了a==&a啦？这怎么可能？自己存自己的？也许很多人会觉得指针和数组是一回事，那么你就错了。如果是 int *a，那么没有问题，因为a是指针，所以 &a 是指针的地址，a 和 &a不一样。但是这是数组啊a[]，所以&a其实是被编译成了 &a[0]。
• 第四条printf语句就很自然了，就是bfe2e104。还是不对，因为是&a是数组，被看成int(*)[5]，所以sizeof(a)是5，也就是5*sizeof(int)，也就是bfe2e114。

看过这么多，你可能会觉得C语言设计得真扯淡啊。不过我要告诉下面几点Dennis当初设计C语言的初衷：

1）相信程序员，不阻止程序员做他们想做的事。

2）保持语言的简洁，以及概念上的简单。

3）保证性能，就算牺牲移植性。

今天很多语言进化得很高级了，语法也越来越复杂和强大，但是C语言依然光芒四射，Dennis离世了，但是C语言的这些设计思路将永远不朽。

（请勿用于商业用途，转载时请注明作者和出处）

语句表达式
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GNU C 把包含在括号中的复合语句看做是一个表达式，称为语句表达式，它可以出现在任何允许表达式的地方，你可以在语句表达式中使用循环、局部变量等，原本只能在复合语句中使用。例如：

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++++ include/linux/kernel.h
159: #define min_t(type,x,y) \
160: ({ type __x = (x); type __y = (y); __x < __y ? __x: __y; })
++++ net/ipv4/tcp_output.c
654: int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk));

复合语句的最后一个语句应该是一个表达式，它的值将成为这个语句表达式的值。这里定义了一个安全的求最小值的宏，在标准 C 中，通常定义为:

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#define min(x,y) ((x) < (y) ? (x) : (y))

这个定义计算 x 和 y 分别两次，当参数有副作用时，将产生不正确的结果，使用语句表达式只计算参数一次，避免了可能的错误。语句表达式通常用于宏定义。

Typeof
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使用前一节定义的宏需要知道参数的类型，利用 typeof 可以定义更通用的宏，不必事先知道参数的类型，例如：

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++++ include/linux/kernel.h
141: #define min(x,y) ({ \
142: const typeof(x) _x = (x); \
143: const typeof(y) _y = (y); \
144: (void) (&_x == &_y); \
145: _x < _y ? _x : _y; })

这里 typeof(x) 表示 x 的值类型，第 142 行定义了一个与 x 类型相同的局部变量 _x 并初使化为 x，注意第 144 行的作用是检查参数 x 和 y 的类型是否相同。typeof 可以用在任何类型可以使用的地方，通常用于宏定义。
零长度数组
======
GNU C 允许使用零长度数组，在定义变长对象的头结构时，这个特性非常有用。例如：

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++++ include/linux/minix_fs.h
85: struct minix_dir_entry {
86: __u16 inode;
87: char name[0];
88: };

结构的最后一个元素定义为零长度数组，它不占结构的空间。在标准 C 中则需要定义数组长度为 1，分配时计算对象大小比较复杂。
可变参数宏
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在 GNU C 中，宏可以接受可变数目的参数，就象函数一样，例如：

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++++ include/linux/kernel.h
110: #define pr_debug(fmt,arg...) \
111: printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)

这里 arg 表示其余的参数，可以是零个或多个，这些参数以及参数之间的逗号构成 arg 的值，在宏扩展时替换 arg，例如：

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pr_debug("%s:%d",filename,line)

扩展为

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printk("<7>"  "%s:%d", filename, line)

使用 ## 的原因是处理 arg 不匹配任何参数的情况，这时 arg 的值为空，GNU C 预处理器在这种特殊情况下，丢弃 ## 之前的逗号，这样

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pr_debug("success!\n")

扩展为

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printk("<7>"  "success!\n")

注意最后没有逗号。
标号元素
========
标准 C 要求数组或结构变量的初使化值必须以固定的顺序出现，在 GNU C 中，通过指定索引或结构域名，允许初始化值以任意顺序出现。指定数组索引的方法是在初始化值前写 ‘[INDEX] =’，要指定一个范围使用[FIRST ... LAST] =’ 的形式，
例如：

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+++++ arch/i386/kernel/irq.c
1079: static unsigned long irq_affinity [NR_IRQS] = { [0 ... NR_IRQS-1] = ~0UL };

将数组的所有元素初使化为 ~0UL，这可以看做是一种简写形式。
要指定结构元素，在元素值前写 ‘FIELDNAME:’，例如：

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++++ fs/ext2/file.c
41: struct file_operations ext2_file_operations = {
42: llseek: generic_file_llseek,
43: read: generic_file_read,
44: write: generic_file_write,
45: ioctl: ext2_ioctl,
46: mmap: generic_file_mmap,
47: open: generic_file_open,
48: release: ext2_release_file,
49: fsync: ext2_sync_file,
50 };

将结构 ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化为 generic_file_llseek，元素 read 初始化为 genenric_file_read，依次类推。我觉得这是 GNU C 扩展中最好的特性之一，当结构的定义变化以至元素的偏移改变时，这种初始化方法仍然保证已知元素的正确性。对于未出现在初始化中的元素，其初值为 0。
Case 范围
=========
GNU C 允许在一个 case 标号中指定一个连续范围的值，例如：

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++++ arch/i386/kernel/irq.c
1062: case '0' ... '9': c -= '0'; break;
1063: case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;
1064: case 'A' ... 'F': c -= 'A'-10; break;
case '0' ... '9':

相当于

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case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':

声明的特殊属性
==============
GNU C 允许声明函数、变量和类型的特殊属性，以便手工的代码优化和更仔细的代码检查。要指定一个声明的属性，在声明后写

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__attribute__ (( ATTRIBUTE ))

其中 ATTRIBUTE 是属性说明，多个属性以逗号分隔。GNU C 支持十几个属性，这里介绍最常用的：
* noreturn
属性 noreturn 用于函数，表示该函数从不返回。这可以让编译器生成稍微优化的代码，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的变量。例如：

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++++ include/linux/kernel.h
47: # define ATTRIB_NORET __attribute__((noreturn)) ....
61: asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code)

ATTRIB_NORET;
* format (ARCHETYPE, STRING-INDEX, FIRST-TO-CHECK)
属性 format 用于函数，表示该函数使用 printf, scanf 或 strftime 风格的参数，使用这类函数最容易犯的错误是格式串与参数不匹配，指定 format 属性可以让编译器根据格式串检查参数类型。例如：

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++++ include/linux/kernel.h?
89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)
90: __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));

表示第一个参数是格式串，从第二个参数起根据格式串检查参数。
* unused
属性 unused 用于函数和变量，表示该函数或变量可能不使用，这个属性可以避免编译器产生警告信息。
* section (“section-name”)
属性 section 用于函数和变量，通常编译器将函数放在 .text 节，变量放在.data 或 .bss 节，使用 section 属性，可以让编译器将函数或变量放在指定的节中。

GNU CC 预定义了两个标志符保存当前函数的名字，__FUNCTION__ 保存函数在源码中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 保存带语言特色的名字。在 C 函数中，这两个名字是相同的，在 C++ 函数中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函数返回类型等额外信息，Linux 内核只使用了 __FUNCTION__。

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++++ fs/ext2/super.c
98: void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb)
99: {
100: struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;
101:
102: if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)
103: return;
104:
105: ext2_warning(sb, __FUNCTION__,
106: "updating to rev %d because of new feature flag, "
107: "running e2fsck is recommended",
108: EXT2_DYNAMIC_REV);

这里 __FUNCTION__ 将被替换为字符串 “ext2_update_dynamic_rev”。虽然__FUNCTION__ 看起来类似于标准 C 中的 __FILE__，但实际上 __FUNCTION__是被编译器替换的，不象 __FILE__ 被预处理器替换。
内建函数
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GNU C 提供了大量的内建函数，其中很多是标准 C 库函数的内建版本，例如memcpy，它们与对应的 C 库函数功能相同，本文不讨论这类函数，其他内建函数的名字通常以 __builtin 开始。
* __builtin_return_address (LEVEL)
内建函数 __builtin_return_address 返回当前函数或其调用者的返回地址，参数LEVEL 指定在栈上搜索框架的个数，0 表示当前函数的返回地址，1 表示当前函数的调用者的返回地址，依此类推。例如：

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++++ kernel/sched.c
437: printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
438: "value %lx from %p\n", timeout,
439: __builtin_return_address(0));

* __builtin_constant_p(EXP)
内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数EXP 的值是常数，函数返回 1，否则返回 0。例如：

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++++ include/asm-i386/bitops.h
249: #define test_bit(nr,addr) \
250: (__builtin_constant_p(nr) ? \
251: constant_test_bit((nr),(addr)) : \
252: variable_test_bit((nr),(addr)))

很多计算或操作在参数为常数时有更优化的实现，在 GNU C 中用上面的方法可以根据参数是否为常数，只编译常数版本或非常数版本，这样既不失通用性，又能在参数是常数时编译出最优化的代码。
* __builtin_expect(EXP, C)
内建函数 __builtin_expect 用于为编译器提供分支预测信息，其返回值是整数表达式 EXP 的值，C 的值必须是编译时常数。例如：

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++++ include/linux/compiler.h
13: #define likely(x) __builtin_expect((x),1)
14: #define unlikely(x) __builtin_expect((x),0)
++++ kernel/sched.c
564: if (unlikely(in_interrupt())) {
565: printk("Scheduling in interrupt\n");
566: BUG();
567: }

这个内建函数的语义是 EXP 的预期值是 C，编译器可以根据这个信息适当地重排语句块的顺序，使程序在预期的情况下有更高的执行效率。上面的例子表示处于中断上下文是很少发生的，第 565-566 行的目标码可能会放在较远的位置，以保证经常执行的目标码更紧凑。 

要想成为一名合格的C语言程序员，读什么样的书是一个首先碰到的基本问题。我的品位是，读计算机方面的著作，一定要读国外人写的经典级别的书。回忆我的往事，在中学时候看了一点BASIC基础，学会了盲打，会用了Windows 3X和95，这些就是我在读大学前全部的计算机基础知识。在大学第一年的寒假，回家的火车上，我没有买到座位票，于是只好站着回家。在这十八个小时的旅途中，我阅读了大约1/2的《C程序设计语言》，对，就是那本Kernighan和Richie合著的薄薄的书。不过惭愧的是，我当时的英语很差，读的当然是东南大学徐宝文翻译的第一版。徐先生的翻译很好，所以我才能顺利读下来。有人可能觉得奇怪，没有什么基础的情况下，如何能读完这么一本书？我的感受是，当要学习一种全新的东西，读书不能奢望全理解，勇敢的看下去，看完它，和作者的第一次沟通才能完成。

这第一次沟通，奠定了我的C语言基础知识，也决定了我今后在C语言程序员、系统软件设计、嵌入式系统设计等方面的职业脉络。读了第一本C语言经典之后，应该就可以编写一些和书中例程差不多的小程序了。接下来需要阅读的经典有：《C专家编程》(Expert C Programming — Deep C Secrets)、《C陷阱与缺陷》(C Traps and Pitfalls)、《C和指针》(Pointers on C)、《C语言核心技术》(C in a Nutshell)、《代码大全》(Code Complete)。读完了这些书，基本上就可以号称是C语言程序员了。

其中《C和指针》我接触的比较晚，非常的遗憾。当我读了《C和指针》，那种相见恨晚的感觉，难于言表。《C专家编程》《C陷阱与缺陷》这两本书，作者处的时代很久远了。如果在现代PC程序设计领域，相关问题可能很少遇到。但是对C语言程序员而言，还是要继续列为必读书目，因为那些晦涩的问题，还是会不停的重现在嵌入式系统的硬件和编译环境里。《代码大全》结合一定的工作经验来读，会有更深的感触。

学习C语言的路还没有结束，真的要理解C语言，你就要了解“语言”，读一读《程学设计语言》(Programming Language-Michael L. Scott)吧。这本研究生和本科课程通用的教材，会让你对C语言的了解上升一个层次，不，一个数量级。

过了这个界线，C语言的学习就该依据职业规划来细分道路了。我只能根据自己的经验谈谈。

首先，学会用Linux操作体系或者其他类似的＊nix系统，因为这些系统是面向程序员的操作系统，如果你真的是一个程序员，在＊nix你会感到更舒服。会用Gcc也是必须的。

其次，读一下Intel出版的《多核程序设计》。

(本文未完成，请期待更新)