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C之诡谲(上)

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下面我想指出C语言中最神秘而又诡谲多变的四个地方,它们也继续在C++语言中变幻莫测。

作者: wtong 来源:CSDN 2008年5月19日

关键字: C python 软件

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从研究生二年纪开始学习计算机也差不多两年了,一路走来,有很多的收获,也有不少的遗憾,现在正好有一段闲暇,就想对走过的路留下一些足迹,回忆。每个人都有自己不同的人生,说到这里,就是程序人生了,歌德在《浮士德》中说过:“如果不曾在悲哀中咀嚼过面包,不曾在哭泣中等待过明天,这样的人就不知道你——天的力量。”所以我想记下一些带给我悲哀,带给我哭泣的程序人生。其实学习计算机的基础课程是非常重要的,离散数学,编译原理,操作系统,形式语言……,如果你认真走过了这些路,在以后的日子你会发现你的路会越走越宽,以前的努力和汗水会不断的给你灵感,给你支持,给你前进的武器和勇气。你会发现以后取得的很多成就,不过是朝花夕拾而已!

对于程序语言我喜欢的是C++,它能带给你别的语言无法给予你的无上的智力快感,当然也会给你一门语言所能给你的魔鬼般的折磨。其实JavaC#Python语言也非常的不错,我也极为喜欢。它们都是非常成功的语言,我从来就不愿意做某一种语言的盲目信仰者,每种语言都有它成功的地方,失败的地方,都有它适合的地方,不如意的地方。所以每一次看到评价语言的文章,我看看,但从来不会发言。

C++的前世是C,而且C所留下的神秘以及精简在C++中是青出于蓝而胜于蓝!C所带给人的困惑以及灵活太多,即使一个有几年经验的高段C程序员仍然有可能在C语言的小水沟里翻船。不过其实C语言真的不难,下面我想指出C语言中最神秘而又诡谲多变的四个地方,它们也继续在C++语言中变幻莫测。

指针,数组,类型的识别,参数可变的函数。

一.指针。

它的本质是地址的类型。在许多语言中根本就没有这个概念。但是它却正是C灵活,高效,在面向过程的时代所向披靡的原因所在。因为C的内存模型基本上对应了现在von Neumann(冯·诺伊曼)计算机的机器模型,很好的达到了对机器的映射。不过有些人似乎永远也不能理解指针【注1】。

1Joel Spolsky就是这样认为的,他认为对指针的理解是一种aptitude,不是通过训练就可以达到的。http://www.joelonsoftware.com/printerFriendly/articles/fog0000000073.html

指针可以指向值、数组、函数,当然它也可以作为值使用。

看下面的几个例子:

int* p;//p是一个指针,指向一个整数

int** p;//p是一个指针,它指向第二个指针,然后指向一个整数

int (*pa)[3];//pa是一个指针,指向一个拥有3个整数的数组

int (*pf)();//pf是一个指向函数的指针,这个函数返回一个整数

后面第四节我会详细讲解标识符(identifier)类型的识别。

1.指针本身的类型是什么?

先看下面的例子:int a;//a的类型是什么?

对,把a去掉就可以了。因此上面的4个声明语句中的指针本身的类型为:

int*

int**

int (*)[3]

int (*)()

它们都是复合类型,也就是类型与类型结合而成的类型。意义分别如下:

point to int(指向一个整数的指针)

pointer to pointer to int(指向一个指向整数的指针的指针)

pointer to array of 3 ints(指向一个拥有三个整数的数组的指针)

pointer to function of parameter is void and return value is int (指向一个函数的指针,这个函数参数为空,返回值为整数)

2.指针所指物的类型是什么?

很简单,指针本身的类型去掉 *”号就可以了,分别如下:

int

int*

int ()[3]

int ()()

34有点怪,不是吗?请擦亮你的眼睛,在那个用来把“*”号包住的“()”是多余的,所以:

int ()[3]就是int [3](一个拥有三个整数的数组)

int ()()就是int ()(一个函数,参数为空,返回值为整数)【注2

2:一个小小的提醒,第二个“()”是一个运算符,名字叫函数调用运算符(function call operator)。

3.指针的算术运算。

请再次记住:指针不是一个简单的类型,它是一个和指针所指物的类型复合的类型。因此,它的算术运算与之(指针所指物的类型)密切相关。

int a[8];

int* p = a;

int* q = p + 3;

p++;

指针的加减并不是指针本身的二进制表示加减,要记住,指针是一个元素的地址,它每加一次,就指向下一个元素。所以:

int* q = p + 3;//q指向从p开始的第三个整数。

p++;//p指向下一个整数。

double* pd;

……//某些计算之后

double* pother = pd – 2;//pother指向从pd倒数第二个double数。

4.指针本身的大小。

在一个现代典型的32位机器上【注3】,机器的内存模型大概是这样的,想象一下,内存空间就像一个连续的房间群。每一个房间的大小是一个字节(一般是二进制8位)。有些东西大小是一个字节(比如char),一个房间就把它给安置了;但有些东西大小是几个字节(比如double就是8个字节,int就是4个字节,我说的是典型的32位),所以它就需要几个房间才能安置。

3:什么叫32位?就是机器CPU一次处理的数据宽度是32位,机器的寄存器容量是32位,机器的数据,内存地址总线是32位。当然还有一些细节,但大致就是这样。16位,64位,128位可以以此类推。

这些房间都应该有编号(也就是地址),32位的机器内存地址空间当然也是32位,所以房间的每一个编号都用32位的二进制数来编码【注4】。请记住指针也可以作为值使用,作为值的时候,它也必须被安置在房间中(存储在内存中),那么指向一个值的指针需要一个地址大小来存储,即32位,4个字节,4个房间来存储。

4:在我们平常用到的32位机器上,绝少有将32位真实内存地址空间全用完的(232 4G),即使是服务器也不例外。现代的操作系统一般会实现32位的虚拟地址空间,这样可以方便运用程序的编制。关于虚拟地址(线性地址)和真实地址的区别以及实现,可以参考《Linux源代码情景分析》的第二章存储管理,在互联网上关于这个主题的文章汗牛充栋,你也可以google一下。

但请注意,在C++中指向对象成员的指针(pointer to member data or member function)的大小不一定是4个字节。为此我专门编制了一些程序,发现在我的两个编译器(VC7.1.3088Dev-C++4.9.7.0)上指向对象成员的指针的大小没有定值,但都是4的倍数。不同的编译器还有不同的值。对于一般的普通类(class),指向对象成员的指针大小一般为4,但在引入多重虚拟继承以及虚拟函数的时候,指向对象成员的指针会增大,不论是指向成员数据,还是成员函数。【注5】。

5:在Andrei Alexandrescu的《Modern C++ Design》的5.13Page124中提到,成员函数指针实际上是带标记的(taggedunions,它们可以对付多重虚拟继承以及虚拟函数,书上说成员函数指针大小是16,但我的实践告诉我这个结果不对,而且具体编译器实现也不同。一直很想看看GCC的源代码,但由于旁骛太多,而且心不静,本身难度也比较高(这个倒是不害怕^_^),只有留待以后了。

还有一点,对一个类的static member来说,指向它的指针只是普通的函数指针,不是pointer to class member,所以它的大小是4

5.指针运算符&*

它们是一对相反的操作,&取得一个东西的地址(也就是指针),*得到一个地址里放的东西。这个东西可以是值(对象)、函数、数组、类成员(class member)。

其实很简单,房间里面居住着一个人,&操作只能针对人,取得房间号码;

*操作只能针对房间,取得房间里的人。

参照指针本身的类型以及指针所指物的类型很好理解。

小结:其实你只要真正理解了12,就相当于掌握了指针的牛鼻子。后面的就不难了,指针的各种变化和C语言中其它普通类型的变化都差不多(比如各种转型)

二.数组。

C语言中,对于数组你只需要理解三件事。

1C语言中有且只有一维数组。

所谓的n维数组只是一个称呼,一种方便的记法,都是使用一维数组来仿真的。

C语言中数组的元素可以是任何类型的东西,特别的是数组作为元素也可以。所以int a[3][4][5]就应该这样理解:a是一个拥有3个元素的数组,其中每个元素是一个拥有4个元素的数组,进一步其中每个元素是拥有5个整数元素的数组。

是不是很简单!数组a的内存模型你应该很容易就想出来了,不是吗?:)

2.数组的元素个数,必须作为整数常量在编译阶段就求出来。

int i;

int a[i];//不合法,编译不会通过。

也许有人会奇怪char str[] = “test”;没有指定元素个数为什么也能通过,因为编译器可以根据后面的初始化字符串在编译阶段求出来,

不信你试试这个:int a[];

编译器无法推断,所以会判错说“array size missing in a”之类的信息。不过在最新的C99标准中实现了变长数组【注6

6:如果你是一个好奇心很强烈的人,就像我一样,那么可以查看C99标准6.7.5.2

3.对于数组,可以获得数组第一个(即下标为0)元素的地址(也就是指针),从数组名获得。

比如int a[5]; int* p = a;这里p就得到了数组元素a[0]的地址。

其余对于数组的各种操作,其实都是对于指针的相应操作。比如a[3]其实就是*(a+3)的简单写法,由于*(a+3)==*(3+a),所以在某些程序的代码中你会看到类似3[a]的这种奇怪表达式,现在你知道了,它就是a[3]的别名。还有一种奇怪的表达式类似a[-1],现在你也明白了,它就是*(a-1)【注7】。

7:你肯定是一个很负责任的人,而且也知道自己到底在干什么。你难道不是吗?:)所以你一定也知道,做一件事是要付出成本的,当然也应该获得多于成本的回报。

我很喜欢经济学,经济学的一个基础就是做什么事情都是要花成本的,即使你什么事情也不做。时间成本,金钱成本,机会成本,健康成本……可以这样说,经济学的根本目的就是用最小的成本获得最大的回报。

所以我们在自己的程序中最好避免这种邪恶的写法,不要让自己一时的智力过剩带来以后自己和他人长时间的痛苦。用韦小宝的一句话来说:“赔本的生意老子是不干的!”

但是对邪恶的了解是非常必要的,这样当我们真正遇到邪恶的时候,可以免受它对心灵的困扰!

对于指向同一个数组不同元素的指针,它们可以做减法,比如int* p = q+i;p-q的结果就是这两个指针之间的元素个数。i可以是负数。但是请记住:对指向不同的数组元素的指针,这样的做法是无用而且邪恶的!

对于所谓的n维数组,比如int a[2][3];你可以得到数组第一个元素的地址a和它的大小。*(a+0)(也即a[0]或者*a)就是第一个元素,它又是一个数组int[3],继续取得它的第一个元素,*(*(a+0)+0)(也即a[0][0]或者*(*a)),也即第一个整数(第一行第一列的第一个整数)。如果采用这种表达式,就非常的笨拙,所以a[0][0]记法上的简便就非常的有用了!简单明了!

对于数组,你只能取用在数组有效范围内的元素和元素地址,不过最后一个元素的下一个元素的地址是个例外。它可以被用来方便数组的各种计算,特别是比较运算。但显然,它所指向的内容是不能拿来使用和改变的!

关于数组本身大概就这么多,下面简要说一下数组和指针的关系。它们的关系非常暧昧,有时候可以交替使用。

比如 int main(int args, char* argv[])中,其实参数列表中的char* argv[]就是char** argv的另一种写法。因为在C语言中,一个数组是不能作为函数引数(argument)【注8】直接传递的。因为那样非常的损失效率,而这点违背了C语言设计时的基本理念——作为一门高效的系统设计语言。

8:这里我没有使用函数实参这个大陆术语,而是运用了台湾术语,它们都是argument这个英文术语的翻译,但在很多地方中文的实参用的并不恰当,非常的勉强,而引数表示被引用的数,很形象,也很好理解。很快你就可以像我一样适应引数而不是实参。

dereferance,也就是*运算符操作。我也用的是提领,而不是解引用。

我认为你一定智勇双全:既有宽容的智慧,也有面对新事物的勇气!你不愿意承认吗?:)

所以在函数参数列表(parameter list)中的数组形式的参数声明,只是为了方便程序员的阅读!比如上面的char* argv[]就可以很容易的想到是对一个char*字符串数组进行操作,其实质是传递的char*字符串数组的首元素的地址(指针)。其它的元素当然可以由这个指针的加法间接提领(dereferance)【参考注8】得到!从而也就间接得到了整个数组。

但是数组和指针还是有区别的,比如在一个文件中有下面的定义:

char myname[] = “wuaihua”;

而在另一个文件中有下列声明:

extern char* myname;

它们互相是并不认识的,尽管你的本义是这样希望的。

它们对内存空间的使用方式不同【注9】。

对于char myname[] = “wuaihua”如下

myname

w

u

a

i

h

u

a

\0

对于char* myname;如下表

myname

 

\|/

w

u

a

i

h

u

a

\0

9:可以参考Andrew Konig的《C陷阱与缺陷》4.5节。

改变的方法就是使它们一致就可以了。

char myname[] = “wuaihua”;

extern char myname[];

或者

char* myname = “wuaihua”;//C++中最好换成const char* myname = “wuaihua”

extern char* myname;

(to be continued!)

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