C语言拾遗

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关键字(Keyword)

asm

asm是gcc提供的用于内联汇编(Inline Assembly)的扩展语法．

asm不支持-std=c99，可以使用__asm__或-std=gnu99．

其中，"=r"为操作数的约束(Constraint)，"="表示允许覆盖该操作数，"r"表示允许使用寄存器．

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int c;
asm("movl $0, %0; addl $1, %0":"=r"(c));
printf("%d\n", c); // 1

在MSVC中则可使用_asm或__asm．

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int a = 5, b;
__asm {
    mov eax, a
    mov b, eax
}
printf("%d\n", b); // 5

case

可以用...指定case的范围．

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case 'A' ... 'Z':
    printf("UPPER!\n");
    break;

enum

将整数强制转换为枚举量是允许的．

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enum Weekday { SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT } day;
day = (enum Weekday)2; // Correct!
day = 2; // ERROR!
int a = SUN; // Correct!

C23中，可以为枚举指明底层类型．

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enum : size_t {
    BUFFER_LENGTH = 1024
}

goto

gcc中可以用__label__定义局部标签(Local Label)．

You can get the address of a label defined in the current function (or a containing function) with the unary operator&&. The value is a constant and has type void*.

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const void* arr[] = { &&label1, &&label2, &&label3 };
...
goto *arr[i];

sizeof

sizeof是编译时行为，运行时不执行．

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int a = 5;
sizeof(a++);
printf("%d\n", a); // 5

typedef

在语法分析时，typedef和存储类型指示符是等价的，它不能和存储类型指示符同时使用．

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const int typedef CINT; // Correct!
typedef static int SINT; // ERROR!

typeof

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#define max(a,b) ({ \
    typeof (a) _a = (a); \
    typeof (b) _b = (b); \
    _a > _b ? _a : _b; \
})

字符串(String)

字面值常量(Literal)

字面值常量可直接进行拼接操作，第一个字符串中的\0将被第二个字符串的第一个字符取代．

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const char* s1 = "Hello " "World!\n";
const char* s2 = "Hello World!\n";
printf("%d\n", s1 == s2); // 1

可对字面值常量寻址．

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char c = "0123456789"[n % 10];

格式(Formatting)

%p

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printf("%p\n", pointer);

%m

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printf("%m\n"); // Success
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#include <stdio.h>
#include <errno.h>

int main(void) {
    FILE * fp;
    char filename[] = "illegal.txt";
    fp = fopen(filename, "rb");
    if (fp==NULL) {
        fprintf(stderr, "%m\n", filename); // No such file or directory
    }
    else {
        fclose(fp);
    }
    return 0;
}

%n

现在多数编译器已不支持．

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int n;
printf("Hello\n%n", &n); // 6

联合体(Union)

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static union {
    char c[4];
    unsigned long l;
} endian_test = { {'l', '?', '?', 'b'} };
#define ENDIANNESS ((char)endian_test.l)

结构体(Structure)

gcc允许没有成员的结构体，其长度为零．

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struct empty { };

C99允许如下的结构体初始化．

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div_t answer = {.quot = 2, .rem = -1 };

数组(Array)

若数组名用于sizeof的操作数，则表示这个数组类型；而sizeof以外的其他场合，数组名总会被转换为指向该数组起始元素的指针．将数组作为函数参数也是毫无意义的，参数的数组声明总是被转换为相应的指针声明．

任何一个数组下标运算都等同于一个对应的指针运算．假定有数组a和整型i，由于a+i和i+a的含义相同，因此a[i]和i[a]具有相同的含义，但不推荐后者的写法．

对于二维数组，可定义「行指针」char (*p)[LEN];和「列指针」char* p;．

C99允许形如(int[]){0}的匿名数组，允许形如int a[10] = {[1 ... 5] = 1};的初始化．

零长数组(Zero-Length Array)

GNU C允许长度为零的数组．零长数组可在结构体的最后一个元素以指示变长对象．

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struct line {
    int length;
    char contents[0];
};

struct line* thisline = (struct line *)malloc(sizeof(struct line) + this_length);
thisline->length = this_length;

变长数组(VLA; Variable Length Array)

C99特性，编译期无法知道变长数组大小，周期属auto类，声明时不可初始化．

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int get(size_t n, int a[n][n], size_t i, size_t j) {
    return a[i][j];
}

可以书写上例中get()省略参数名的原型．

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int get(int, int[*][*], int, int);

函数(Function)

C中允许嵌套函数，且可以捕获外部变量，注意C++不允许嵌套函数．

K&R风格函数定义(K&R Style Function Definition)

现在多数编译器已不支持这种旧式风格函数定义．

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int isvowel(c) char c; {
    return c == 'a' || c == 'e' || c == 'i' || c == 'o' || c == 'u';
}

可变参数函数(Variadic Function)

见stdarg.h．

内存(Memory)

三种存储类型及其使用时机如下．

  • 自动存储(Automatic Storage)：通常称为栈(Stack)，存储局部变量，函数被调用时创建自动存储区域，函数返回时该区域被删除，函数的返回值被复制到调用它的函数的自动存储区域中，这意味着返回指向局部变量的指针是不安全的；
  • 分配的存储(Allocated Storage)：通常称为堆(Heap)，生命周期由malloc()至free()；
  • 静态存储(Static Storage)：存储全局变量，在程序启动时分配，在程序的整个生命周期有效．

位运算(Bitwise Operation)

获取整型a的第b位．

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int getbit(int a, int b) { return (a >> b) & 1; }

将整型a的第b位设置为0．

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int unsetbit(int a, int b) { return a & ~(1 << b); }

将整型a的第b位设置为1．

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int setbit(int a, int b) { return a | (1 << b); }

将整型a的第b位取反．

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int flapbit(int a, int b) { return a ^ (1 << b); }

表达式(Expression)

三元表达式?:可以二元使用，x ?: y表示若x非零则为x，否则为y，即x ? x : y．

GNU C将括号语句块视为表达式．若语句块中最后的表达式无值(void)则报错．

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printf("%d\n", ({1; 2; 3;}) == 3); // 1

表达式求值可能导致副作用(Side Effect)，如访问volatile左值对象、修改对象、调用库I/O函数，或调用执行上述任何操作的函数．

序列点(Sequence Point)被定义为程序中的一些执行点，在该点之前的求值的所有副作用已经发生，在该点之后的求值的所有副作用仍未开始．

未定义行为(UB; Undefined Behavior)

访问未定义局部变量是未定义行为．

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int x;
printf("%d", x); // UB

有符号整数算术溢出是未定义行为．

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int x = INT_MAX;
x++; // UB

访问或解引用空指针是未定义行为．

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int* p = NULL;
printf("%d", *ptr); // UB
*p = 0; // UB

无关地址的比较是未定义行为．

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int a = 0;
int b = 0;
return &a < &b; // UB

数组索引越界是未定义行为．

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char a[5];
a[5] = 10; // UB
a[-1] = 5; // UB

修改字符串字面量是未定义行为．

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char* p = "wikipedia";
p[0] = 'W'; // UB

整数除以零是未定义行为．

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int x = 1;
int y = x / 0; // UB

对某个对象非顺序点修改，或跨顺序点修改时，读取该对象的值用于除「确定其存储的值」之外的其他任何目的，都属于未定义行为．

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int f(int i) {
    return i++ + i++; // UB
}
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a[i] = i++; // UB
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printf("%d %d\n", ++n, power(2, n)); // UB

对某值进行负数位移，或位移值大于等于该值总位数，都属于未定义行为．

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int num = -1;
unsigned int val = 1 << num; // UB
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int num = 32;
unsigned int val = 1 << num; // UB

返回值函数的结尾没有return语句，调用时会产生未定义行为．

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int f() {} // UB

注释(Comment)

利用行注释和块注释的特性，仅更改一个符号就能快速切换注释区域．

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//*
int foo(); // this code is currently active
/*/
int bar(); // this code is currently disabled
//*/
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/* <- just remove the leading slash
int foo(); // this code is now disabled
/*/
int bar(); // this code is now active
//*/

达夫设备(Duff's Device)

过去为提高效率而设计，现在已不必使用，但展现了神奇的语法规范．

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void send(char* to, char* from, int count) {
    int n = (count + 7) / 8;
    switch(count % 8) {
        case 0: do { *to++ = *from++;
        case 7:      *to++ = *from++;
        case 6:      *to++ = *from++;
        case 5:      *to++ = *from++;
        case 4:      *to++ = *from++;
        case 3:      *to++ = *from++;
        case 2:      *to++ = *from++;
        case 1:      *to++ = *from++;
        } while(--n > 0);
    }
}

平方根倒数速算法(Fast Inverse Square Root)

出自游戏「雷神之锤III竞技场(Quake III Arena)」的源代码，内容如下．

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float Q_rsqrt(float number) {
    long i;
    float x2, y;
    const float threehalfs = 1.5F;
    x2 = number * 0.5F;
    y = number;
    i = *(long*) &y;                        // evil floating point bit level hacking
    i = 0x5f3759df - (i >> 1);              // what the fuck?
    y = *(float*) &i;
    y = y * (threehalfs - (x2 * y * y));    // 1st iteration
    // y = y * (threehalfs - (x2 * y * y)); // 2nd iteration, this can be removed
    return y;
}

平方根倒数速算法说明

由于需要求所给数的平方根倒数，默认所给数为正数且是规格化浮点数．以表示尾数区域对应的无符号数，表示阶码区域对应的无符号数，y在二进制浮点数算数标准IEEE754下对应的实际值如下式．

对上式取底数为2的对数，整理得下式． 由等价无穷小可知，加入校正系数使总体偏差最小，进而可得下式． 上式中即IEEE754中单精度浮点数形式对应的整数值，即i．代码第7行为二进制浮点数形式y至其对应二进制整数形式i的转换，各个位的内容不变，因此并非强制类型转换，转换目的是便于后续的移位操作；代码第9行逆转换为原来的二进制浮点数形式．

设解，取底数为2的对数，整理得下式． 将式代入上式，整理得下式． 上式即代码第8行，右端第一项即魔数(Magic Number)0x5f3759df，第二项即-(i >> 1)．

代码第10行和第11行使用牛顿迭代法优化近似值．式用于求的平方根倒数，以之构造如下式． 将上式代入牛顿迭代法的公式，整理得下式． 上式即代码第10行和第11行，右端即表达式y * (threehalfs - (x2 * y * y))．

三字符组(Trigraph)

三字符组又译作三合字母，现在多数编译器默认忽略三字符组，需要-trigraphs手动开启．

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int main(void)
??<
    printf("what??!\n"); // what|
    return 0;
??>

转义字符\?可防止对三字符组进行解释．

预处理器(Preprocessor)

可以用#include的方式初始化大型数组．

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double a[SIZE][SIZE] = {
    #include "values.txt"
}

若宏定义包含多条语句，可以使用do { } while(0)避免展开后的问题．

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#define FUNC() do { foo(); bar(); } while(0)

__FILE__和__LINE__是内建于预处理器中的宏，它们会被扩展为所在文件的文件名和所处代码行的行号．

预处理器中有如下的特殊的操作符．

  • #：将宏参数的代码字符串转化为字符串常量；
  • ##：连接两个代码字符串；
  • #@：将宏参数的代码转换为字符常量．

可变参数宏(Variadic Macro)

C99/C++特性，使用...表示，__VA_ARGS__为替换列表，##__VA_ARGS__表示当可变参数为0时，去除前面的逗号．

借此可以书写宏的「参数数量重载」版本．

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#define ONE(a) printf("1\n")
#define TWO(a, b) printf("2\n")
#define THREE(a, b, c) printf("3\n")

#define GET_MACRO(_1, _2, _3, NAME, ...) NAME
#define MACRO(...) GET_MACRO(__VA_ARGS__, THREE, TWO, ONE, ...)(__VA_ARGS__)

通用选择(Generic Selection)

C11特性，使用_Generic在编译时根据控制表达式类型选择表达式．

借此可以为不同类型的函数提供重载．

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#define sin(X) _Generic((X), long double: sinl, default: sin, float: sinf)(X)

结构体打包指令(Structure-Packing Pragma)

结构体打包指令可更改结构体成员的最大对齐．

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#pragma pack(1)

参数是较小的2的幂次，不指定参数将设置为默认值．

#pragma pack(push[,n])可将对齐设置送至内部堆栈，而#pragma pack(pop)恢复栈顶的设置并删除该堆栈条目，注意#pragma pack(n)不影响该内部堆栈．

最终，结构体占用空间也与数据在其中的排列顺序有关．

内置函数(Builtin)

内置函数以__builtin开头，这些函数接受unsigned int，也有对应的long和long long版本(在函数名后加上后缀即可，如__builtin_clzll)．

__builtin_ffs(n)(Find First Signed)返回n的最后一位1从后向前的次序(n为0时返回0)．

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printf("%d\n", __builtin_ffs(4) == 3); // 1

__builtin_clz(n)(Count of Leading Zeros)返回前导0的个数．

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inline int highbit(int x) { return 31 - __builtin_clz(x); }

__builtin_ctz(n)(Count of Trailing Zeros)返回后尾0的个数，与__builtin_clz相对．

__builtin_popcount(n)返回二进制表示中1的个数，即汉明权重(Hamming Weight)．__builtin_parity(n)即二进制表示中1的个数的奇偶性(奇数个为1)．

可以使用__builtin_expect为编译器提供分支预测信息以减少指令跳转带来的性能下降，从而优化代码．

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#define likely(x)       __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x)     __builtin_expect(!!(x), 0)

标准库(Standard Library)

time.h

time.h用于操作日期和时间．

纪元(Epoch)开始于UTC时间1970年1月1日00:00．time()可以获取纪元起的秒数的整数值time_t，time()的定义如下．

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time_t time(time_t* arg);

time()既可将当前时间作为返回值，也可存储于arg指向的time_t对象(当arg为非空指针时)．

可以通过如下代码测量实际用时．

其中：clock()返回程序执行起处理器时钟所用的时间；CLOCKS_PER_SEC是每秒走过的计时数，CLK_TCK与之等效，但被视为已过时．

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clock_t start, stop;
start = clock();
MyFunc();
stop = clock();
double duration = ((double)(stop - start)/CLOCKS_PER_SEC);

标准日期时间字符串的格式为Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n．将时间转换为文本表示的函数如下．

  • asctime()：将日历时间struct tm转换为文本表示；
  • ctime()：将纪元起的时间time_t转换为文本表示．

strftime()可将日历时间转换为自定义文本表示，使用方法如下例．

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if (strftime(buff, sizeof buff, "...", &my_tm)) puts(buff);
else puts("strftime failed");

时间格式修饰符

时间格式修饰符汇总如下．

格式修饰符 说明
%Y 以4位十进制数写年．
%y 以末2位十进制数写年．
%B 写完整月名．
%b 写缩略月名．
%m 以十进制数写月．
%U 以十进制数写年的星期(以星期日为首日)．
%W 以十进制数写年的星期(以星期一为首日)．
%j 以十进制数写年的第几日．
%d 以十进制数写月的第几日．
%A 写完整星期名．
%a 写缩略星期名．
%w 以十进制数写星期日期(其中星期日为0)．
%H 以十进制数写时(24小时制)．
%I 以十进制数写时(12小时制)．
%M 以十进制数写分．
%S 以十进制数写秒．
%c 写标准日期时间字符串．

纪元起的时间与日历时间的相互转换如下．

  • gmtime()：将纪元起的时间time_t转换为协调世界时的日历时间struct tm；
  • localtime()：将纪元起的时间time_t转换为本地时间表示的的日历时间struct tm；
  • mktime()：将日历时间struct tm转换为纪元起的时间time_t．

stdarg.h

用于实现可变参数函数，内容如下．

  • va_list：指向参数列表，本质上是char*；
  • va_start：初始化，需要提供va_list和函数最后一个明确的参数作为函数参数；
  • va_arg：得到列表的下一个变参值，需要提供va_list和参数的类型；
  • va_end：释放，设为无效指针，提供va_list即可．

典型的可变参数函数如printf()，标准库对printf()的定义如下．

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int printf(const char *format, ...);

非标准库(Nonstandard Library)

conio.h

回显(Echo)指显示正在执行的批处理命令及执行的结果等．getch()用于不回显地获取字符，也常用于任意键继续的程序暂停．

而在Visual Studio中，使用返回两次的_getch()．

When reading a function key or an arrow key, _getch() must be called twice; the first call returns 0 or 0xE0, and the second call returns the actual key code.

io.h

io.h提供如下内容．

  • _finddata_t：文件数据类型；
    • attrib：文件属性，如_A_ARCH(存档)、_A_HIDDEN(隐藏)、_A_NORMAL(正常)、_A_RDONLY(只读)、_A_SUBDIR(文件夹)、_A_SYSTEM(系统)等；
    • size：以字节为单位的文件大小；
    • name：文件名；
    • time_create：文件创建时间；
    • time_access：上次文件被访问时间；
    • time_write：上次文件被修改时间．
  • _findfirst：获取第一个文件，返回当前位置句柄，需要提供路径字符串和指向_finddata_t的指针作为函数参数；
  • _findnext：获取下一个文件，返回下一位置句柄，需要提供当前位置句柄和指向_finddata_t的指针作为函数参数；
  • _findclose：释放，提供句柄即可．

遍历目录下所有文件的代码如下．

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intptr_t handle;
_finddata_t fileInfo;
if ((handle = _findfirst(path, &fileInfo)) == -1) {
    exit(EXIT_FAILURE);
}
do {
    ...
} while (!_findnext(handle, &fileInfo));
_findclose(handle);

windows.h

SetConsoleTextAttribute()用于设置控制台文本属性，需要提供控制台缓冲区屏幕句柄和属性组合．

关于颜色的文本属性的解释，有RED、GREEN、BLUE三种原色，INTENSITY表示颜色高亮，FOREGROUND表示前景色即文本颜色，而BACKGROUND表示背景色．下例将文本颜色设置为亮紫色．

其中，GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE)用于获取标准输出句柄．

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WORD attr = FOREGROUND_INTENSITY | FOREGROUND_RED | FOREGROUND_BLUE;
SetConsoleTextAttribute(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), attr);

文本边框属性

文本边框属性汇总如下．

Character Attributes Meaning
COMMON_LVB_GRID_HORIZONTAL Top horizontal.
COMMON_LVB_GRID_LVERTICAL Left vertical.
COMMON_LVB_GRID_RVERTICAL Right vertical.
COMMON_LVB_UNDERSCORE Underscore.

若需获取控制台文本属性，则需使用GetConsoleScreenBufferInfo()．

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CONSOLE_SCREEN_BUFFER_INFO csbiInfo;
GetConsoleScreenBufferInfo(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), &csbiInfo);
WORD attr = csbiInfo.wAttributes;