0x09-未曾領(lǐng)略的新風(fēng)景

• 前方曾提到兩個(gè)關(guān)鍵字 restrict 和 inline 在C語(yǔ)言中的使用，但是后者可能還能帶來(lái)些許理解上的便利，開(kāi)啟 -O3 優(yōu)化是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。
• inline 的作用還是在于和 static 一起使用，讓小函數(shù)盡可能的減小開(kāi)銷甚至消除函數(shù)開(kāi)銷。

• restrict 最重要的還是在于編譯器的優(yōu)化上。編譯器能夠?yàn)槲覀兊某绦蛱峁﹥?yōu)化，這是眾所周知的，但是編譯器是如何優(yōu)化的，知道的人少之又少，其中有一些優(yōu)化是建立在編譯器能夠理解你的代碼，或者說(shuō)編譯器要認(rèn)為你的代碼是可以被優(yōu)化的情況下，才會(huì)采取優(yōu)化措施：

  • 有一個(gè)很重要的地方，稱為指針別名，是阻礙編譯器優(yōu)化代碼的最重要的地方

  • 什么是指針別名？

        void tmp_plus(int * a, int * b)
        {
            for(int i = 0; i < b_len;++i)
                *a += b[i];
        }

    這段代碼中，a, b 是兩個(gè)被傳入的指針，編譯器對(duì)他們毫無(wú)所知，也不知道a是否在b的范圍之內(nèi)，故無(wú)法對(duì)其做出最大程度上的優(yōu)化，這會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果呢？也就是，每依次循環(huán)過(guò)后，*a的結(jié)果都會(huì)寫(xiě)回到主存當(dāng)中去，而不是在寄存器里迅速進(jìn)行下一次增加！

    或者有的聰明的編譯器可以將其擴(kuò)展成if ... else的加長(zhǎng)版形式來(lái)避免寫(xiě)回操作。

    但是如果我們?cè)黾恿?code>restrict

        void tmp_plus(int * restrict a, int * restrict b) ...

    這就是告訴編譯器，這兩個(gè)指針是完全不相干的，你可以放心的優(yōu)化，不會(huì)出錯(cuò)。

• 但是在這里有一些小的問(wèn)題，那就是C++并不支持這個(gè)關(guān)鍵字，這會(huì)導(dǎo)致什么后果？

  • 你在Visual Studio下編程的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)使用restrict關(guān)鍵字是會(huì)產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤的，無(wú)論你使用 .c 還是 .cpp，難道說(shuō)不支持嗎？實(shí)際上不是，主流的編譯器都對(duì)這個(gè)關(guān)鍵字有自己的實(shí)現(xiàn)
  • Visual Studio(Visual C++) : __restrict
  • GCC, Clang : __restrict__
• 剩下一個(gè)是前面也大概說(shuō)過(guò)的 volatile，當(dāng)時(shí)對(duì)其的解釋就是讓編譯器不對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的意思，這里再說(shuō)清楚一點(diǎn)
  • 假設(shè) volatile int i = 0;
  • 首先它的現(xiàn)象本質(zhì)就是，確保每次讀取 i 的時(shí)候，是從它的內(nèi)存位置讀取，每次對(duì)它操作完畢后，將結(jié)果寫(xiě)回它的內(nèi)存位置，而不是將其優(yōu)化保存在寄存器內(nèi)。
  • 這就讓一些編譯器的優(yōu)化無(wú)法進(jìn)行，就像上方所說(shuō)的。
  • 一般將其用在調(diào)試時(shí)期，防止編譯器的優(yōu)化對(duì)自己的代碼邏輯造成混淆。
  • 但是，正如上面所說(shuō)，這個(gè)關(guān)鍵字的作用是每次都進(jìn)行存取，開(kāi)銷自然就變大了，意味著無(wú)法使用緩存來(lái)對(duì)其進(jìn)行加速，換句話來(lái)說(shuō)就是，只要是關(guān)于它的操作，開(kāi)銷都將變大。
  • 并且，其所能起到的作用大部分體現(xiàn)在 多線程編程中，而且也無(wú)法阻止指令重排之類的優(yōu)化。
    • 對(duì)此，有一個(gè)需要提及的內(nèi)容是，可以適當(dāng)?shù)氖褂?內(nèi)存屏障 來(lái)替代這種volatile的功能，內(nèi)存屏障是由操作系統(tǒng)提供的功能，目的是防止由于某些優(yōu)化，導(dǎo)致的指令重排的效果。
    • 某些編譯器也有提供類似的功能，例如 GCC就可以通過(guò)內(nèi)嵌匯編代碼的方式實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果
  • 以上的略微提及，詳細(xì)可以自行查閱資料。

再議數(shù)組

• 在常見(jiàn)C中，數(shù)組是這樣的。

    int arr_1[3];
    int arr_2[] = {1, 2, 3}; /* 創(chuàng)建三個(gè)元素的數(shù)組 */

• C99之后，可以使用一種叫做 復(fù)合文字(Compound Literal)的機(jī)制來(lái)做到更多的事情，最簡(jiǎn)單的就是創(chuàng)建匿名數(shù)組(看著有點(diǎn)像C++11引進(jìn)的 Lambda匿名函數(shù))：

    int *ptoarr = (int[]){1, 2, 4}; /* 之后可以使用 ptoarr 操作 */
    ptoarr[2] = 0;
    printf("The Third number is : %d", ptoarr[2]);

  輸出： $ The Third number is : 0

  當(dāng)然，這種機(jī)制并不是只能如此使用，稍微高級(jí)一點(diǎn)的應(yīng)用是，可以傳遞數(shù)組了，無(wú)論是按參數(shù)傳遞還是返回值。

    int *test_fun(int most[], int length){
        for(int i = 0;i < length;++i)
         most[i] = i;
    return (int []){most[0], most[1], most[2], most[3]...};/* so on */
    }
    // main
    test_fun((int []){6,6,6,6,6}, 5);

  這也是自從更新了C99標(biāo)準(zhǔn)以后，可以講某個(gè)整體進(jìn)行返回的例子，也包括結(jié)構(gòu)體：

    typedef struct compond{
            int value;
            int number;
            int arrays[10];
    }compond;
    //假設(shè)有test_fun函數(shù)返回該結(jié)構(gòu)體
    ...
    return (combond){
                    1, // 給value
                    2, // 給number
                    {most[0], most[1], most[2], most[3]...}}; //給arrats

  當(dāng)然也可以構(gòu)造完成之后再返回實(shí)體，不過(guò)這么做不如上面寫(xiě)的效果好，原因前方已經(jīng)提過(guò)。

  稍微修改一下結(jié)構(gòu)體，又是另一番情況：

    typedef struct compond{
            int value;
            int number;
            int arrays[]; /* 這里不再顯式聲明大小，也就無(wú)法構(gòu)造實(shí)體 */
    }compond;

  這個(gè)方式很像前方提到的 前橋和彌的 越界結(jié)構(gòu)體 的例子，只不過(guò)這個(gè)是一個(gè)在C標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，而前橋和彌則是利用一些C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的漏洞達(dá)到目的。

  在使用這種結(jié)構(gòu)體的時(shí)候，首先要為其動(dòng)態(tài)分配好空間，之后通過(guò)指針進(jìn)行操作，也增建了內(nèi)存泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，所以仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智了：

    compond* ptocom = malloc(sizeof(compond) + num_you_want * sizeof(int));
    /* 這樣就成功分配了足夠的空間 */
    ptocom->arrays[0] = some_number;
    ...
    free(ptocom);
    ptocom = NULL;

  這其實(shí)并不是這種機(jī)制的目的，我覺(jué)得這種復(fù)合文字機(jī)制的最大用處還是在于消除艱澀難懂的函數(shù)調(diào)用

  例如有一個(gè)函數(shù)的參數(shù)列表及其之長(zhǎng)，我們就應(yīng)該考慮使用新機(jī)制結(jié)合結(jié)構(gòu)體，來(lái)對(duì)這個(gè)函數(shù)重新修飾一番：

    int bad_function(double price, double count, int number,
                     int sales, Date sale_day, Date in_day,
                     String name, String ISBN, String market_name,
                    ); /* 實(shí)現(xiàn)省略 */

  這種函數(shù)，在陌生的他人拿到之后，一定頭疼不已，可以對(duì)它進(jìn)行一些處理，來(lái)減輕使用時(shí)候的苦惱：

    /* 首先使用宏進(jìn)行包裹 */
    #define good_function(...) {\
    /* 使用這個(gè)宏作為接口，可傳入不限個(gè)數(shù)的參數(shù) */

  接下來(lái)定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于參數(shù)的接收。

    /* 接收參數(shù)的結(jié)構(gòu)體 */ 
    typedef struct param{
    double price;           /* 銷售價(jià)格 */
    double count;           /* 折扣 */
    int    number;          /*總數(shù)量*/
    int    sales;           /*銷售數(shù)量*/
    Date   sale_day;        /* 銷售日期 */
    Date   in_day;          /* 進(jìn)貨日期 */
    String name;          /* 貨物名稱 */
    String ISBN;          /* ISBN號(hào) */
    String market_name;   /* 銷售市場(chǎng) */
    }param;
    /* 并配上文檔說(shuō)明每個(gè)參數(shù)的作用 */

  其次繼續(xù)完成宏

    /* 此時(shí)將函數(shù)的聲明改為: */
    int bad_function(param input);
    /* 宏 */
    #define good_function(...) {\
        bad_function((param){__VA_ARGS__});\
    }

  這就完成了包裹

  使用的時(shí)候：

    good_function(.price = 199.9, .count = 0.9, 
                  .number = 999, .sale = 20 /*and so on*/)

  也可以在宏利使用默認(rèn)參數(shù)，以此來(lái)減少一些不必要的工作量，達(dá)到像其他高級(jí)語(yǔ)言一樣的函數(shù)默認(rèn)參數(shù)的功能。當(dāng)然如果不添加默認(rèn)的值，則會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)將其值初始化為 0 或者 NULL.

    #define good_function(...) {\
        bad_function((param{.price = 100.0, .count = 1.0, __VA_ARGS__})); \
        /* 假設(shè)想要設(shè)置默認(rèn)價(jià)格為100， 默認(rèn)折扣為 1.0 */\
    }

  較之C89(C90)的提取可變宏參數(shù)要來(lái)的更加靈活及"高效"。

  至于 __VA_ARGS__ 宏的較為官方的用法，前人之述備矣，就不在這里記錄了。

C11之 _Generic

只看名字就能明白這是C語(yǔ)言支持泛型的兆頭。

好像很有意思

不過(guò)某些地方依舊有些限制，比如對(duì)于選擇函數(shù)方面。

/* -std=c11 */
void print_int(int x) {printf("%d\n", x);}
void print_double(double x) {printf("%f\n", x);}
void print(){printf("Or else, Will get here\n");}
#define CHOOSE(x) _Generic((x),\
                   int : print_int,\
                   double : print_double,\
                   default : print)(x)

調(diào)用它

int main(void)
{
    CHOOSE(11.0);  /* 11.000000 */
    CHOOSE(11.0f); /* Or else, Will get here */
    return 0;
}

缺點(diǎn)就在于，: 后面無(wú)法真正的調(diào)用函數(shù)，而是只能寫(xiě)上函數(shù)名或者函數(shù)指針， 當(dāng)然為了突破這一點(diǎn)可以使用宏嵌套來(lái)間接實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但是歸根結(jié)底，無(wú)法在 : 后面調(diào)用函數(shù)。

#define CHOOSE(X) _Generic((x), \
                            int : prinf("It is Int")\
                            double : printf("It is double"))(x)
/* Compile Error! */

這樣做會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤，編譯器會(huì)告訴你 CHOOSE并不是一個(gè)函數(shù)或者函數(shù)指針，看起來(lái)錯(cuò)誤很無(wú)厘頭，實(shí)際上一想，你要是在 : 之后調(diào)用了函數(shù)，那么左后一個(gè)括號(hào)該如何自處，唯一的辦法就是返回函數(shù)指針：

typedef void (*void_p_double)(double);
typedef void (*void_p_int)(int);

void print_detail_double(double tmp){
    printf("The Double is %f\n", tmp);
}
void print_detail_int(int tmp){
    printf("The Int is %d\n", tmp);
}

void_p_int print_int(){
    printf("It is a Int! "); 
    return print_detail_int;
}
void_p_double print_double() {
    printf("It is a Double! "); 
    return print_detail_double;
}

void print_default(){printf("Nothing Matching !\n");}
#define CHOOSE(x) _Generic((x),\
                          int : print_int(x),\
                          double : print_double(x),\
                          default : print_default)(x)

調(diào)用：

CHOOSE(11);   /* It is a Int The Int is 11 */
CHOOSE(11.0);  /* It is a Double The Double is 11.000000 */
CHOOSE(11.Of); /* Nothing Matching ! */
choose(11l);  /* Nothing Matching ! */

對(duì)于宏而言，最新的編譯器支持， #program once， 將這個(gè)放在頭文件中，就代表該頭文件只編譯一次，也就是說(shuō)，可以替代原有的老式 #ifdef的三段式保護(hù)，具體編譯器支持請(qǐng)查詢各編譯器。

函數(shù)返回實(shí)體

• 許多年前，在C編程的普遍常識(shí)是，返回指針，而不是一個(gè)實(shí)體。

• 但是現(xiàn)在，在這個(gè)C99(C11)世紀(jì)，早已經(jīng)打破這個(gè)局限，無(wú)論是從程序員編寫(xiě)的語(yǔ)法角度看，亦或者是從編譯器的優(yōu)化角度看，都不在需要特地的將一個(gè)實(shí)體表示為指針進(jìn)行返回。

    combine* ret_struct(combine* other){
        /* 這里的參數(shù)也是指針，因?yàn)楫?dāng)時(shí)并不允許直接給結(jié)構(gòu)體進(jìn)行賦值 */
        int value = other->filed_value;
        /* SomeThing to do */
        combine* p_local_ret_com = malloc(sizeof(combine));
        /* 一系列安全檢查 */
        return p_local_ret_com;

  這在當(dāng)下自然也是可以的，而且會(huì)有不錯(cuò)的性能，但是。但是這也是C語(yǔ)言最令人詬病的地方，你卻深深的踏了進(jìn)去。

  盡量少用 malloc(calloc, realloc) 之類的內(nèi)存操作函數(shù)，是現(xiàn)代C編程的一個(gè)指標(biāo)，在這個(gè)函數(shù)中，我們沒(méi)有辦法保證分配出去的內(nèi)存能夠回收(因?yàn)榫瓦@個(gè)函數(shù)而言并沒(méi)有回收這個(gè)內(nèi)存)，雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(非特殊機(jī)器)的內(nèi)存已經(jīng)不在乎那幾十個(gè)甚至幾百個(gè)中等結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存泄漏，但是內(nèi)存泄露依然是C語(yǔ)言最嚴(yán)重的問(wèn)題，沒(méi)有之一。

  我們?cè)撟龅木褪潜M量減少風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率：

    combine ret_struct(combine other){
        /* C99之后，我們就開(kāi)始允許直接給結(jié)構(gòu)體賦值，
                意味著可以直接返回結(jié)構(gòu)體了 */
        combine loc_ret_com; /* 如果沒(méi)有復(fù)合的結(jié)構(gòu)體成員的話，各成員會(huì)自動(dòng)初始化為0，不必?fù)?dān)心初始化問(wèn)題 */·
        /* Do SomeThing to 'loc_ret_com' with 'other' */ 
        ...
        return loc_ret_com;
    }
    /* main */
    int main(void)
    {
        combine preview = {...};
        combine action = ret_struct(preview);
        return 0;
    }

  這么做的目的自然是為了讓我們的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，讓系統(tǒng)棧幫我們管理內(nèi)存，包括創(chuàng)建->使用->回收，這個(gè)過(guò)程(就像被其他語(yǔ)言所津津樂(lè)道的GC機(jī)制，實(shí)際上C語(yǔ)言程序員可以選擇自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)垃圾回收機(jī)制，在本系列的最后面可能會(huì)做一個(gè)簡(jiǎn)易的回收機(jī)制供大家參考，但是首先讓我們看完風(fēng)景，再用一個(gè)實(shí)際程序串聯(lián)起來(lái)后，再去考慮GC)不需要你來(lái)操心。

  但是這真的是最好的形式了嗎？

  讓我們回想一下C語(yǔ)言在調(diào)用函數(shù)的時(shí)候發(fā)生的某些事情，因?yàn)樽铋_(kāi)始的我們是從 main 函數(shù)的調(diào)用開(kāi)始我們的程序.

  • 也就是說(shuō)，系統(tǒng)在棧上位這個(gè)函數(shù)分配了空間
  • 緊接著我們調(diào)用了函數(shù) ret_struct
  • 調(diào)用之后，為了保存現(xiàn)有狀態(tài)，棧里會(huì)被壓入許多信息，包括當(dāng)下main的位置以及ret_struct的各種參數(shù)等等，其中有一個(gè)東西就是返回地址
    • 這個(gè)被壓入的元素保證了在執(zhí)行完ret_struct之后我們能夠順利的返回main調(diào)用它的位置繼續(xù)執(zhí)行
    • 這個(gè)和我們要講的有什么關(guān)系呢？
  • 沒(méi)關(guān)系我會(huì)亂說(shuō) = =
  • 一般來(lái)說(shuō)，在函數(shù)返回一個(gè)值(把所有對(duì)象，值都稱為值)時(shí)，由于這個(gè)值是在函數(shù)中創(chuàng)建的(無(wú)論是傳入的參數(shù)，還是在函數(shù)里創(chuàng)建的非static對(duì)象，即便是static或者全局變量情況也是一樣只是不符合這個(gè)假設(shè)結(jié)論罷了)，所以在函數(shù)結(jié)束后，?？臻g被回收，它就被默認(rèn)的銷毀了(可以參考前橋和彌的書(shū)里有這個(gè)的解釋，實(shí)際上值并沒(méi)有真正被銷毀了，但是不允許再用，否則視為非法)，但是我們是怎么接收到函數(shù)的返回值的？
  • 當(dāng)然是因?yàn)槌绦驇湍憧截惲艘环葸@個(gè)值的副本的原因啊。
  • 而這個(gè)副本再使用過(guò)以后就會(huì)立即被銷毀，那么我們?nèi)绻裆戏侥敲捶祷匾粋€(gè)結(jié)構(gòu)體的話會(huì)發(fā)生什么應(yīng)該就很清晰了：復(fù)制副本->銷毀本地的原身->將這個(gè)副本的值賦給外部接收的變量(沒(méi)有則銷毀)->銷毀副本

  • 這有什么問(wèn)題，難道還有更好的方法？

    那自然有啊

  • 現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，編譯器也不甘示弱，只要你外部有接收的地址，在(不開(kāi)優(yōu)化的情況下，開(kāi)了優(yōu)化也可能因?yàn)榘姹締?wèn)題或者某些不可抗力而不優(yōu)化)直接return對(duì)象的情況下，是可以省去副本的操作的

  • 也就是說(shuō)：

        /*改寫(xiě)上方代碼*/
        combine ret_struct(combine other){
            other->filed_value = ...;
            /* SomeThing to other */
            return (combine){ .filed_value = other->filed_value
                                ...};
        }
    如果這么寫(xiě)，編譯器就知道，喲！你是想要把這個(gè)對(duì)象放到外邊使用是吧，那我懂了，就直接找到外邊接收這個(gè)值得變量地址，不再創(chuàng)建副本(其實(shí)還是創(chuàng)建，只不過(guò)不再銷毀而已)，而是在那個(gè)變量地址中寫(xiě)入這個(gè)對(duì)象。

  • 這就實(shí)現(xiàn)了讓系統(tǒng)幫你管理內(nèi)存的目的，而不是擔(dān)心是否沒(méi)有釋放內(nèi)存帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，而且還優(yōu)化了性能，何樂(lè)而不為。
  • 注：關(guān)于上方提到的 開(kāi)了優(yōu)化也可能因?yàn)榘姹締?wèn)題或者某些不可抗力而不優(yōu)化 這個(gè)說(shuō)法是有道理的，因?yàn)榇蠹业木幾g器版本都不一樣，有的人用老版本那自然沒(méi)有這個(gè)優(yōu)化了，有的則是因?yàn)槟憔帉?xiě)的程序邏輯上的構(gòu)造導(dǎo)致編譯器無(wú)法為此處產(chǎn)生如此的優(yōu)化，這個(gè)請(qǐng)參考前方提到的書(shū)本深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化章節(jié)。讓然編譯原理要是能看自然更清楚嘍(ps:我還沒(méi)看)
  • 題外話：這個(gè)方法對(duì)于C++同樣適用