你所不知道的 C 語言: 開發工具和規格標準

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"If I had eight hours to chop down a tree, I’d spend six hours sharpening my axe." – Abraham Lincoln

「如果我有 8 小時可以砍 1 棵樹，我會花 6 小時把斧頭磨利。」(類似漢語「工欲善其事，必先利其器」的精神) – 亞伯拉罕．林肯

語言規格:
C89/C90 -> C99 -> C11 -> C17/C18 -> C2x

C 語言老爸的評論

「C 很彆扭又缺陷重重，卻異常成功。固然有歷史的巧合推波助瀾，可也的確是因為它能滿足於系統軟體實作的程式語言期待：既有相當的效率來取代組合語言，又可充分達到抽象且流暢，能用於描述在多樣環境的演算法。」

C is quirky, flawed, and an enormous success. Although accidents of history surely helped, it evidently satisfied a need for a system implementation language efficient enough to displace assembly language, yet sufficiently abstract and fluent to describe algorithms and interactions in a wide variety of environments. —— Dennis M. Ritchie

Jonathan Adamczewski 貼出經典著作《The C Programming Language》，然後評註說:

"C++: The Good Parts"

K&R C 的 "K" 即 Brian Kernighan 教授，而非 Ken Thompson。

David Brailsford 教授的訪談，從大型主機 (mainframe) 時代談起，早期的機器甚至不是 byte addressing，這使得高階程式語言和電腦硬體無法直接對應，而 C 語言恰好彌補系統層級程式設計的需求，再藉由 UNIX 作業系統的影響，改變今日我們所處的資訊世界。

C++ 可以美得令人不知所措 [source]

為什麼我不探討 C++

• 在台灣發文好像愛用「為什麼我不」開頭，後面可接「念研究所」、「待在大公司」等描述
• C++ 自稱為物件導向的程式語言，卻不願意對物件在執行時期的表現負責任
  • 若說 C 語言給了你足夠的繩子吊死自己，那麼 C++ 給的繩子除了夠你上吊之外，還夠綁住你身邊的朋友
  • 相較之下，Java 讓你在吊死自己之際仍有親友監視著，雖然死不了，但事後會更想死
  • [ source ]
    • In Ruby, everything is an object.
    • In Clojure, everything is a list.
    • In Javascript, everything is a terrible mistake.
    • in C, everything is a representation (unsigned char [sizeof(TYPE)]).
• Linus Torvalds 在 2010 年的解釋
• C++ 實際上已經是截然不同的程式語言
  • C++ 老爸 Bjarne Stroustrup 的文章: "Learning Standard C++ as a New Language"
• 最重要的是，C++ 改版飛快，C++ 17 即將推出，但我還沒看懂 C++ 98

• [ source ]

延伸閱讀

• 沒有 C 語言之父，就沒有 Steve Jobs (原文)
• 第一個 C 語言編譯器是怎樣編寫的？

讀規格書可大幅省去臆測

在 ISO/IEC 9899 (a.k.a C99 Standard) 中 5.1.2.2.1 內有提到 C Standard 要求 main 函式必須這樣寫

int main(void) { /* ... */};

或者:

int main(int argc, char *argv[]) { /* ... */ };

C++ 之父 Bjarne Stroustrup 的個人網頁內有個 FAQ 裡面有個問題叫 Can I write "void main()"?

然而在 C++ 與 C 的標準中從來沒出現過這樣的寫法，也就是說，void main() 這個寫法從來沒正確過

延伸閱讀

• C 語言中 int main() 和 void main() 有何區別？
• C++ 的 void main() / int main() … 不要再用 void main() 了! | Peter Dave Hello's Blog
• void main(void) - the Wrong Thing
• Linux 核心原始程式碼的整數除法: 不讀規格書連除法都會算錯

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ISO/IEC 9899 (簡稱 "C99")

• 從一則笑話談起

  • "Programming in C: if it doesn't work, just add a star. Or multiple stars. Or ampersands."

• 葉秉哲博士的推文：「溯源能力是很重要的，才不會被狀似革新，實則舊瓶裝新酒或跨領域借用的『新觀念』所迷惑」

• 規格書 (PDF) 搜尋 "object"，共出現 735 處

  • 搜尋 "pointer"，共出現 637 處。有趣的是，許多教材往往不談 object，而是急著談論 pointer，殊不知，這兩者其實就是一體兩面
  • object != object-oriented
    • 前者的重點在於「資料表達法」，後者的重點在於 "everything is object"
  • C11 (ISO/IEC 9899:201x) / 網頁版

• 從第一手資料學習：大文豪寫作都不免要查字典，庸俗的軟體開發者如我們，難道不需要翻閱語言規格書嗎？難道不需要搞懂術語定義和規範嗎？

• & 不要都念成 and，涉及指標操作的時候，要讀為 "address of"

  • C99 標準 [6.5.3.2] Address and indirection operators 提到 '&' address-of operator

• C99 [3.14] object

  • region of data storage in the execution environment, the contents of which can represent values

  • 在 C 語言的物件就指在執行時期，資料儲存的區域，可以明確表示數值的內容

  • 很多人誤認在 C 語言程式中，(int) 7 和 (float) 7.0 是等價的，其實以資料表示的角度來看，這兩者截然不同，前者對應到二進位的 "111"，而後者以 IEEE 754 表示則大異於 "111"
    

  • A pointer to void shall have the same representation and alignment requirements as a pointer to a character type.

    關鍵描述！規範 void * 和 char * 彼此可互換的表示法

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

• C99 規格書的解說就比很多書本清楚，何必捨近求遠呢？

  • EXAMPLE 1: The type designated as float * has type "pointer to float". Its type category is pointer, not a floating type. The const-qualified version of this type is designated as float * const whereas the type designated as "const float * is not a qualified type — its type is "pointer to const qualified float" and is a pointer to a qualified type.
  • EXAMPLE 2: The type designated as "struct tag (*[5])(float) has type "array of pointer to function returning struct tag". The array has length five and the function has a single parameter of type float. Its type category is array.

• Understand more about C 提及若干肇因於不同的 C 語言標準，而使得程式碼行為不同的案例

規格不能只看新的，過往也要熟悉

source

• 空中巴士 330 客機的娛樂系統裡頭執行 14 年前的 Red Hat Linux，總有人要為「古董」負責
• 而且空中巴士 380 客機也是如此

為何 C 語言標準函式庫裡頭的函式名稱如此簡短？像是

• strcpy
• strlen

最初連結器有 6 到 8 個字元的輸入限制!

Translation limits
6 significant initial characters in an external identifier

• 延伸閱讀:
  • Why did ANSI only specify six characters for the minimum number of significant characters in an external identifier?
  • Identifier

The Design and Evolution of C++ 一書對應的解說:

英文很重要

安裝 cdecl 程式，可以幫你產生 C 程式的宣告。

$ sudo apt-get install cdecl

使用案例

$ cdecl
cdecl> declare a as array of pointer to function returning pointer to function returning pointer to char

會得到以下輸出:

char *(*(*a[])())()

把前述 C99 規格的描述帶入，可得:

cdecl> declare array of pointer to function returning struct tag

struct tag (*var[])()

如果你沒辦法用英文來解說 C 程式的宣告，通常表示你不理解！

cdecl 可以解釋 C 程式宣告的意義，比方說：

cdecl> explain char *(*fptab[])(int)
declare fptab as array of pointer to function (int) returning pointer to char

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只用 printf 觀察資料，有問題嗎？

[ source ]

• 只用 printf() 觀察的話，永遠只看到你設定的框架 (format string) 以內的資料，但很容易就忽略資料是否合法、範圍是否正確，以及是否看對地方
• printf() 大概是最早被記下來的函式，也困擾很多人，有意思的是，1960 年代初期 MIT 開發的 CTSS 作業系統 中，終端機命令就包含了 printf，後者一路從 Multics 和 Unix 繼承至今
• 在 CTSS 原始程式碼的檔案 com3 中可見到這行 STMTDC PRINTF,11,T,T25，前一行註解寫 "The following tables are the dictionaries of statement types"

不要急著印出位址，善用 GDB

source: NASA before PowerPoint, 1961

• 「學會了 GDB，我有種山頂洞人學會用火的感動」 – 張至
• GDB Rocks! (on slideshare)
• Introduction to gdb (on slideshare)
• Debugging with GDB (on slideshare)
  • clewn, pyclewn on sourceforge
  • gdb to kernel
  • GDB 的妙用
  • Kaie's Blog
  • GDB Documentation
• 除錯程式: gdb
• Introduction to GDB a tutorial - Harvard CS50 (教學影片)
• 透過 GDB 學習 C 語言

GDB

• Kernel command using Linux system calls
• video: Linux basic anti-debug
• video: C Programming, Disassembly, Debugging, Linux, GDB
• rr (Record and Replay Framework)
  • video: Quick demo
  • video: Record and replay debugging with "rr"

整合開發環境

Visual Studio Code (VS Code) 是 Microsoft 主導的開放原始碼專案，關於其操作說明和解說錄影可參見 共筆。

C23

C 語言規格一直在變革，此刻最新的標準是 C17，其正式名稱為ISO/IEC 9899:2018，是在 2017 年準備、隔年發布的規範。C23 則是現行開發中規格的簡稱，預計在 2023 年進行投票並發佈新標準，稱為 C23。預計納入的特徵如下:

• typeof 運算子，過往是 GNU extension，這可用來實作 container_of 一類的巨集
• 強制規範 call_once 的支援，後者在並行 (concurrent) 環境中，得以確保某段程式碼始終只會執行一次
• 納入 char8_t 的支援，以 _t 結尾的慣例說明這由編譯器供應商提供的 typedef，這對 Unicode 更友好，於是我們可以書寫為 u8"💣"[0]
• 提供 unreachable()，讓編譯器得以進行更激進的最佳化，過往是 GNU extension
• 以 = {} 取代 memset 函式的呼叫
• 支援 ISO/IEC 60559:2020，這是最新 IEEE 754 浮點數運算標準
• 針對 C11 納入的 _Static_assert，允許單一參數
• 納入 C++11 風格的 attribute 語法，例如 nodiscard, maybe_unused, deprecated, 和 fallthrough
• 新的函式: memccpy(), strdup(), strndup() – 類似 POSIX/SVID 中 C 函式庫的擴充
• 強制規範使用二補數符號表示
• 不再支援 K&R 風格的函式定義
• 二進位表達式 (Binary literals)，例如 0b10101010 (很難想像 1970 年代發展的 C 語言，要到 2023 年或稍晚，才能直接指定二進位表示吧？) 和對應 printf() 的 %b
• Type generic functions for performing checked integer arithmetic (Integer overflow)
• _BitInt(N) and UnsignedBitInt(N) types for bit-precise integers
• 支援 #elifdef 和 #elifndef
• 允許在數值表示中加上分隔符號，易於閱讀，例如 0xFFFF'FFFF

延伸閱讀:

• Ever Closer - C23 Draws Nearer 和 C23 is Finished: Here is What is on the Menu
• A cheatsheet of modern C language and library features
• Checked integer arithmetic in the prospect of C23 / jtckdint