C語言指標 - HackMD

# C語言指標此為觀看Jserv 你所不知道的C語言: 指標篇的筆記 ## 前段 * Object != Object-oriented 在C語言規格書中，物件就是在執行期間，資料儲存空間不為0的東西，就叫做物件 * Lifetime: 生命週期，在c語言的規範下，在object的生命週期內，代表一定有對應的**常數記憶體位址** * 學習C語言，學的是一種思維跟文化 * Undefined bahavior，在C語言規格書中會發現這東西 The lifetime of an object is the portion of program execution during which storage is guaranteed to be reserved for it. An object exists, has a constant address and retains its last-stored value throughout its lifetime. If an object is referred to outside of its lifetime, the behavior is undefined. * Pointer是一個reference type，是一個incomplete type(儲存空間不知道)，它不是一個物件可以宣告incomplete type，但不能用它來建立物件但是卻可以建立pointer type * pointer type不具有完整的算數，可以加減，但不能乘除 * a pointer to void shall have the same representation and alignment requirements as a pointer to a character type C當中的qsort，第一個參數是void \*，這代表它可以被換成char \* pointer to void 和 pointer to character可互換 * void在早期c語言當中不存在，如果函式不宣告型態，會自己變成int :::info ```c= *a[] //an array of pointers (*a)[] //a pointer to an array *f() //a function returning a pointer (*f)() //a pointer to a function void ( *signal(int sig, void (*handler)(int)) ) (int); ``` * signal is a pointer to a function, it has two parameters * an integer, sig * a pointer to a function, handler ::: * 考慮以下程式 ```c= int main(){ char *x=0; void *y=0; char c = *x; char d = *y; } ``` 以上程式碼編譯會錯誤，但錯在哪個? 錯在第5行，因為y是a pointer to void，不能dereference，若更改成以下程式則會通過編譯 ```c= int main(){ char *x=0; void *y=0; char c = *x; char d = * (char *)y; } ``` 其實如果寫成下面這樣也可以 ```c= int main(){ char *x=0; void *y=0; char c = *x; char d = * (double *)y; } ``` 但是double跟char的儲存空間大小不同，這時候就要用到alignment * void \* 會招致一堆undefined bahavior(UB) * 指標的用途是在傳遞大量資訊的時候不用全部複製一份過去，只要簡單傳送指向那個東西的指標 * c裡面沒有真正的陣列/矩陣 ```c= int main(){ int x[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; printf("%d %d %d %d\n", x[4], *(x+4), *(4+x), 4[x]); //4 4 4 4 } ``` * 4[x]照樣可以得到x[4], array subscripting，因為C語言當中，x[4]相當於*((x)+(i)) = \*((i)+(x)) = 4[x] * 有些情況array不能改成pointer type * in declaration * extern, `extern char x[]` * definition, `char x[10]` * parameter of function, `func(char x[])` 可以改變成`func(char *x)` 規格書有寫到as formal parameters in a function definition, char s[] and `char *x` are equivalent * array subscripting在編譯時期只知道兩件事 * 得知size * obtain a pointer to element 0 :::warning C語言永遠只有call-by-value sizeof()在c語言是operator不是function ::: 透過gdb解析以下程式 ```c= int a[3]; struct { double v[3]; double length; } b[17]; int calendar[12][31]; int main(){ return 0; } ``` 編譯程式 ```shell= # g是debugger看得懂的除錯訊息，Og是對debugger做最佳化 $ gcc -o ptr.out -Og -g ptr.c # 執行他 $ gdb -q ptr.out ``` 接著做以下分析 ```shell= (gdb) p sizeof(calendar) $1 = 1488 (gdb) print 1488 / 12 / 31 $2 = 4 (gdb) p sizeof(int) $3 = 4 ``` 發現calendar中每個元素的大小和int相同，是一致的 ```shell= (gdb) p sizeof(b) $4 = 544 (gdb) p 544 / 17 / 4 $5 = 8 (gdb) p sizeof(double) $6 = 8 # 驗證struct b當中元素都是double (gdb) whatis b[0] type = struct {...} (gdb) whatis calendar type = int [12][31] (gdb) whatis calendar[0] type = int [31] (gdb) whatis &b[0] type = struct {...} * (gdb) whatis &calendar type = int (*)[12][31] (gdb) whatis &calendar[0] type = int (*)[31] # 把b印出來看看 (gdb) x/4 b 0x4040 : 0 0 0 0 # 接著印b的地址 (gdb) p &b $7 = (struct {...} (*)[17]) 0x4040 (gdb) p &b[0] $8 = (struct {...} *) 0x4040 # b和b[0]的地址一樣太神拉 # 接著把b的內容印出來，目前全部為0 (gdb) p b $9 = {{v = {0, 0, 0}, length = 0} <repeats 17 times>} ``` 接著做個有趣的測試 ```shell= (gdb) p &b $10 = (struct {...} (*)[17]) 0x4040 (gdb) p &b + 1 $11 = (struct {...} (*)[17]) 0x4260 <a> ``` 加1怎麼不是加1上去0x404呢? 這一次加了$2*16*16+2*16 = 544$ 這不就是這個struct的大小嗎? 不信再印一次 ``` (gdb) p sizeof(b) $13 = 544 ``` 那如果像以下呢? ``` (gdb) p &b $15 = (struct {...} (*)[17]) 0x4040 (gdb) p &(b[0]) + 1 $16 = (struct {...} *) 0x4060 <b+32> (gdb) p 2 * 16 $17 = 32 ``` 這時候加一就變成加32而已 * +1 到底加多少，取決於它前面那個東西到底多大 * p不只能print，還可以變更記憶體內容，這裡jserv用以下指令可以work，但我的vm會跳以下錯誤，還不知道為甚麼 ``` (gdb) p (&b[0])->v = {1,2,3} Cannot access memory at address 0x4040 ``` 我改用set variable，還是不行 * 最後居然是因為我沒有下r這個指令讓gdb開始執行，沒有執行居然差這麼多比對一下執行前後的記憶體內容還有記憶體位址，驚人的發現 ```shell= # 執行之前 (gdb) p b $1 = {{v = {0, 0, 0}, length = 0} <repeats 17 times>} (gdb) p &b $2 = (struct {...} (*)[17]) 0x4040 (gdb) p (&b[0]) $3 = (struct {...} *) 0x4040 (gdb) p (&b[0])->v $4 = {0, 0, 0} (gdb) p (&b[0])->v = {1,2,3} Cannot access memory at address 0x4040 # 執行之後 (gdb) r Starting program: /home/sduser/linux-internals/ptr.out Breakpoint 1, main () at ptr.c:10 10 int main(){ (gdb) p b $5 = {{v = {0, 0, 0}, length = 0} <repeats 17 times>} (gdb) p &b $6 = (struct {...} (*)[17]) 0x555555558040 (gdb) p (&b[0]) $7 = (struct {...} *) 0x555555558040 (gdb) p (&b[0])->v $8 = {0, 0, 0} (gdb) p (&b[0])->v = {1,2,3} $9 = {1, 2, 3} ``` * 連記憶體位址都差好多，c語言執行後才會真正分配記憶體給variable的原因嗎? 那執行之前讀取到的是甚麼? * 接著進行一些轉型的實驗 ```shell= (gdb) p &(&b[0])->v[0] $10 = (double *) 0x555555558040 (gdb) p (int *) &(&b[0])->v[0] $11 = (int *) 0x555555558040 (gdb) p *(int *) &(&b[0])->v[0] $12 = 0 (gdb) p *(double *) &(&b[0])->v[0] $13 = 1 ``` * 轉為int或double居然會造成0跟1.0的差別答案在jserv的共筆有解釋 * Null 是具備pointer type的0 * argc, argv也會把env variable(envp)帶進去 ## Function pointer :::info **Function designator** A function designator is an expression with function type.Except when it is the operand of the sizeof operator, or the unary & operator, a function designator with type "function returning type" is converted to an expression that has type "pointer to function returning type". when you type func(a,b); to call a function, func is the function designator. ::: ```clike= int main() { return (********puts)("Hello"); } ``` * 可以發現不管怎麼改變\*的數量，都能成功編譯並執行 * function type, function designator * Lvalue, L不是left，是locator * 對function type不管做dereference,reference等等，都是得到function designator * `*(puts)` 本身為一個function designator `*(*(puts))` 解讀為將`*(puts)`再做一次dereference，結果還是一個function designator，所以不管加幾個`*`最後還是function designator 接著編譯以下程式碼(這裡我有改過用jserv原本列的那三行編不過) ```clike= #include <stdio.h> void test(){}; void (*fptr)() = &test; int main() { fptr(); return 0; } ``` 這時候用gdb去觀察他們 ``` (gdb) p test $1 = {void ()} 0x555555555129 <test> (gdb) whatis test type = void () (gdb) p fptr $2 = (void (*)()) 0x555555555129 <test> (gdb) whatis fptr type = void (*)() (gdb) p *fptr $3 = {void ()} 0x555555555129 <test> (gdb) p **fptr $4 = {void ()} 0x555555555129 <test> (gdb) p *****fptr $5 = {void ()} 0x555555555129 <test> ``` 可以發現很神奇的事情 test是function designator，型態是void() fptr是a pointer to a function，內容可以發現和test是一樣的這時候加上\*，發現不管加上幾個它都還是function designator 接著再做以下有趣的實驗這我自己做的 ``` (gdb) p &fptr $6 = (void (**)()) 0x555555558010 <fptr> (gdb) p &test $7 = (void (*)()) 0x555555555129 <test> (gdb) p &(*fptr) $8 = (void (*)()) 0x555555555129 <test> (gdb) p &(*******fptr) $9 = (void (*)()) 0x555555555129 <test> ``` 首先&fptr跟&test不同，合理再來可以發現&(\****** fptr)，不管幾個\*，結果都一樣 ## 字串 * c語言的字串其實不保證連續儲存空間，結尾字符\0，搞不好是從一個莫名其妙的地方讀到的這造成c語言字串非常複雜，也時常不安全考慮strcpy, memcpy, strncpy等functions * 你能保證destination的大小可以容納source嗎? 就算做檢查，你也不能保證範圍的檢查沒有被compiler影響而使實際讀取到的記憶體不是錯的 * strdup * `char *p = "hello world"` 和 `char p[] = "hello world"` 非常不同 string literals必須放在static storage裡面 p[]表示要把資料放在stack裡面 char \*p 則是指向一個static storage的指標 * c語言函式庫不會做太多null pointer的檢查，讓開發者自己檢查，如果它做太多檢查對程式的效能會造成很大的影響，太多branch