C语言

C 语言是一种通用的、面向过程式的计算机程序设计语言。1972 年，为了移植与开发 UNIX 操作系统，丹尼斯·里奇在贝尔电话实验室设计开发了 C 语言。

C 语言是一种广泛使用的计算机语言，它与 Java 编程语言一样普及，二者在现代软件程序员之间都得到广泛使用。

当前最新的C语言标准为 C11 ，在它之前的C语言标准为 C99

类型运算符与表达式

变量

变量名的开头必须是字母或下划线，不能是数字

变量名中的字母是区分大小写的

变量名绝对不可以是C语言关键字

变量名中不能有空格

数据类型及长度

在 C 语言中，整型变量本身还需区分它们的“符号性（signedness）”，符号性上的区别有利于程序对某些特定的场景需求进行优化

常量

1. 字符常量：用单引号括起来的单个字符，是一种整型常量
2. 常量表达式：在编译时就能被完全计算的表达式，包括基本的算术表达式、逻辑表达式等
3. 枚举常量

使用 const 关键字修饰的变量定义语句，无法在后续的程序中修改其对应或指针指向的值。因此，我们更倾向于称它们为只读变量

在 C 语言中，像是数组长度定义、switch，都只能使用常量表达式，而不能使用只读变量

声明

算术运算符

关系运算符与逻辑运算符

类型转换

• 自动转换
• 强制转换

函数与程序结构

函数的基本知识

• 函数的定义形式

返回值类型 函数名（参数声明表）{    声明和语句}

函数调用

当一个函数被调用时，传递给它的实际参数应该按照怎样的顺序进行求值，这在 C 标准中并没有被明确规定,当运行使用不同编译器编译得到的二进制可执行文件时，可能会得到不同的计算结果

int n = 1; printf("%d %d %d", n++, n++, n++);

外部变量

作用域规则

头文件

静态变量

static int a;

寄存器变量

register int x;

register变量将放在机器的寄存器中

程序块结构

初始化

外部变量和静态变量都将被初始化为0

递归

C预处理器

• 文件包含

  #include "文件名"#include <文件名>

• 宏替换

  #define a b

  不会替换字符串中的内容

  • 带参数的宏
  • `#undef`
  • 双井号嵌套

• 条件包含

  #ifndef HDR#define HDR#endif

可变参数

#include <stdio.h>#include <stdarg.h>void print_sum(int count, ...) {  int sum = 0;  va_list ap;  va_start(ap, count);   for (int i = 0; i < count; ++i)    sum += va_arg(ap, int);  va_end(ap);  printf("%d\n", sum);}int main(void) {  print_sum(4, 1, 2, 3, 4);  return 0;}

可变参数是通过编译器在编译时，将参数的值拷贝到栈内存中，并通过 va_list 结构体来对这块栈内存进行访问

入口函数

在 main 函数之前，还有一个符号名为 _start 的入口，在类 unix 系统中，_start 函数会初始化栈帧、准备 main 函数调用所需的参数

流程控制

goto

goto 是通过汇编指令 jmp 实现的，这种方式下的执行流程转移仅能够发生在当前程序运行所在的某个具体函数中。相对地，程序无法做到从某个函数体的执行中途，直接将其执行流转移到其他函数的内部，称之为本地跳转

L1:if (n == 1) goto L1;

.L2:  cmp     DWORD PTR [rbp-4], 1  jne     .L3  jmp     .L2

对应的有非本地跳转，其可以在一个函数内部跳转到另外一个函数内部去，非本地跳转的原理是通过保存恢复函数的调用上下文来实现的

指针

指针与地址

p = &c; // p为指向c的指针y = *p; // 现在y的值的c的值

取地址符是通过汇编指令 lea 来实现的，而从指针中读取数据，是通过 mov 命令来实现的。

lea     rax, [rbp-16]mov     QWORD PTR [rbp-8], raxmov     rax, QWORD PTR [rbp-8]mov     eax, DWORD PTR [rax]mov     DWORD PTR [rbp-12], eax

指针与函数参数

void swap(int *x,int *y){    int tmp = *x;    *x = *y;    *y = tmp;}

指针与数组

数组本质也是一个指针

但是指针是一个变量，数组名不是一个变量

地址算术运算

当对指针进行加法、减法、递增、递减运算时，编译器实际上是以当前指针所指向值对应的某个固定长度为单位，对指针中存放的地址值进行相应调整的

• 相同类型指针之间的赋值运算
• 同整数间的加减法运算
• 指向相同数组的两个指针减法或比较运算
• 将指针赋值为0

字符串与指针

void reverse(char *s,int n){    if (n<0){        return;    }    putchar(*(s+n));    reverse(s,--n);}

指针数组以及指向指针的指针

char *sa[20];

int main(){    int x;    int *xp = &x;    int **xpp = &xp;    **xpp=15;    printf("%d",x);}

多维数组

int a[i][j];

指针数组的初始化

指针与多维数组

char *s[]={"123","321","1111"};

命令行参数

int main(int argc,char *s[]){return 0;}

指向函数的指针

int fun(int a) {  return a+6;}void fun1(int (*f)(int)) {  printf("%d \n", (*f)(48))}int main(int args, char *args[]) {  fun1(&fun);  return 0;}

复杂声明

结构

基本知识

struct{    int x;    int y;} point;struct poinit p;p.x=1;

结构与函数

• 结构指针

  struct point *pp;(*pp).x=5;y = pp->x;

结构数组

struct poinit ps[20];

结构指针

为了内存读取效率，成员字段在栈内存中都满足自然对齐的要求，编译器会插入额外的“填充字节”，来动态调整结构对象中各个字段对应数据的起始位置

struct Foo {  char *p;  // 8 bytes.  char c;  // 1 bytes.  // (padding): 7 bytes.};

自引用结构

struct{    int x;    int y;    struct point *p;} poinit;

表查找

类型定义

typedef char* StringString s = "123";

联合

union ut{    char a;    int b;    long c;}u;u.c=1L;u.b=2;

在该结构内的所有数据字段，都将会联合起来共享同一块内存区域

mov     QWORD PTR [rbp-8], 1mov     DWORD PTR [rbp-8], 2

位字段

字符串

char strA[] = "Hello!";  char* strB = "Hello!";strA[1] = 'c'; // normalstrB[1] = 'c'; // Segmentation fault

使用数组和指针形式定义的字符串，其底层的数据引用方式会有所区别。其中数组方式会将字符串数据从 .rodata 中拷贝到其他位置（比如栈内存），因此修改这些数据不会改变存在于原始 .rodata 中的副本。而使用常量指针形式定义的数组，该指针会直接引用位于 .rodata 中的字符串数据

多线程

// C11 引入的标准库#include <threads.h>#include <stdio.h>int run(void *arg) {  thrd_t id = thrd_current();  // 返回该函数运行所在线程的标识符；  printf((const char*) arg, id);  return thrd_success;}int main(void) {  thrd_t thread;  int result;  // 创建一个线程；  thrd_create(&thread, run, "Hello C11 thread with id: %lu.\n");  if (thrd_join(thread, &result) == thrd_success) {    // 等待其他线程退出；    printf("Thread returns %d at the end.\n", result);    }    return 0;}

原子操作

• C11 提供的名为 stdatomic.h 的头文件

_Atomic long counter = 0;  // 定义一个原子类型全局变量，用来记录线程的累加值；atomic_fetch_add_explicit(&counter, 1, memory_order_relaxed);  // 使用原子加法操作；

条件变量

cnd_t cond;  // 定义一个条件变量；int done = 0;// 等待mtx_lock(&mutex); while (done == 0) {  cnd_wait(&cond, &mutex);  // 让当前线程进入等待队列；}mtx_unlock(&mutex);// 通知mtx_lock(&mutex); done = 1;cnd_signal(&cond);  // 通知等待中的线程；mtx_unlock(&mutex); 

线程本地变量

_Thread_local int counter = 0;

输入与输出

标准输入输出

• getchar
• putchar

格式化输出-printf

变长参数表

void pr(int a,...){  va_ list ap;  int i;  va_ start(ap,a);    for(i=0;i<5;i++){    printf( "%d" ,va_ arg(ap,int));  }  va_ end(ap);}int main(int argc,char *args[]){  pr(1,2,3,4,5,6);}

格式化输入-scanf

转换字符指定对输人字段的解释。对应的参数必须是指针，这也是C语言通过值调用语义所要求的

文件访问

int main(int argc,char *args[]){  FILE *fp;  FILE *fp1;  char c;  fp = fopen(" . /reverse1.c" ,"aw");  fp1 = fopen("./reverse.c","r") ;  while((c=fgetc(fp1)) != EOF){    fputc(c,fp);  }  fputs("test",fp);  fclose(fp);  fclose(fp1);}

错误处理

• stdout
• stderr

行输入和行输出

• fgets
• fputs

其他函数

UNIX系统接口

文件描述符

内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。 文件描述符是非负整数。 打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。 读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

低级IO-read/write

标准的 IO 一般会使用所在平台的低级 IO 接口来实现。而低级 IO 则通过调用操作系统内核提供的系统调用函数，来完成相应的 IO 操作

在 x86-64 平台上，系统调用通过 syscall 指令来执行。而在基于该平台的 Unix 与类 Unix 系统上，系统调用函数的执行会使用寄存器 rdi、rsi、rdx、r10、r8、r9 来进行参数的传递，rax 寄存器则用于传递系统调用 ID，以及接收系统调用的返回值

; SYS_getpid 调用.global __syscall.type __syscall,@function__syscall:  movq %rdi, %rax  movq %rsi, %rdi  movq %rdx, %rsi  movq %rcx, %rdx  movq %r8, %r10  movq %r9, %r8  movq 8(%rsp), %r9  syscall  ret

另外一种调用方式是通过软中断：

extern subglobal _startsection .text_start:  and   rsp,0xfffffffffffffff0  sub   rsp, 3  mov   esi, 2  mov   edi, 1  call  sub  # use "int" to invoke a system call.  mov   ebx, eax    mov   eax, 1  int   0x80

在进行系统调用时，发生了特权级别的转换，为了通过隔离执行环境来保证内核安全，CPU 在进入内核态前，通常还会进行栈的切换，内核态使用的调用栈跟用户态使用的栈是不一样的。

open creat close unlink

随机访问-lseek

信号处理

void sigHandler(int sig) {  printf("Signal %d catched!\n", sig);  exit(sig);}signal(SIGFPE, sigHandler);

性能优化

局部性原理利用高速缓存

函数内联避免调用开销

通过 inline 关键字建议编译器执行内联优化

restrict

通过在指针变量上添加 restrict 关键字，可以告知编译器这个指针是唯一的访问数据，编译器就能做一些针对性的优化

1. 消除多余的内存访问
2. ...

消除不必要的内存访问

正常情况下，内存访问慢于寄存器访问，一种优化手段是可以给局部变量添加 register 关键字，这样变量访问就快了许多

使用条件传送指令而非条件分支指令

条件分支指令可能会受到 CPU 分支预测错误带来的惩罚

条件传送指令一般会用于实现 C 语法中的三元运算符 ?:

更高的编译优化等级

ABI

应用程序二进制接口（Application Binary Interface），ABI 将程序与操作系统、硬件平台之间紧密协作需要遵守的特定规则暴露了出来。这些规则指定了基于这个体系运行的二进制应用程序，应该如何在机器代码层面进行数据访问或函数调用等一系列操作

ABI 规范：

• 函数调用规范
• 处理器可以访问的数据类型其大小与对齐方式
• 进程初始化细节（如栈和寄存器的状态变化）
• 对象文件（如 .o）的基本结构
• 程序载入和动态链接的细节
• ……