Linux折腾记（六）：感悟GNU C及把Vim打造成C/C++的
网络知识 2023-02-09 13:14
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C语言在Lux系统中的重要性自然是无与伦比、不可替代，所以我写Lux江湖系列不可能不提C语言。C语言是我的启蒙语言，感谢C语言带领我进入了程序世界。虽然现在不靠它吃饭，仍免不了经常和它打交道，特别是在Lux系统下。
Lux系统中普遍使用的是GNU-C，这里有一份。The GNU C Reference Manual的主页在这里。C语言的内核极其紧凑，该手册总共只有91页，去掉目录、附录和索引后就只有70页。我一般一个多小时就可以将其从头至尾复习一遍。我曾有过将其翻译成中文的想法，后来还是放弃了。翻译这种字斟句酌的事情还是让别人来干吧。我只写写我自己的感悟。
感悟一C语言标准干不过GNU扩展
最近为了研究X Wdow的底层协议，开始尝试使用XCB编程。当我打开XCB的头文件的时候，我被大量的__restrict__关键字惊呆了，好在有GNU C语言手册为我答疑解惑。__restrict__又是一个GNU扩展的关键字，后面我会详细讲解该关键字的用途。其实C语言的C99标准中已经引入了restrict关键字，没有前后的下划线，在大量的开源代码中，使用最普遍的还是GNU的扩展，而不是C语言标准。
和restrict关键字有相同命运的还有le、_Complex等，它们都是在C99标准中引入的关键字，其实在C99标准出来之前，GNU C中早就有了__le__、__plex__等扩展关键字。还记得多年前我学习Lux 0.11版的源代码时，看到大量的__le__曾经疑惑不已，不知道为什么Lus在91年就能用上了如此先进的语言功能，后来才知道，这是GNU的扩展关键字。
C语言的标准有C89和C99，使用GCC的时候甚至要显示指定-std=c99才能全面支持C99标准，所以在开源界，大家还是喜欢首选GNU的扩展关键字。比如__le__、__plex__和__restrict__。总而言之，C语言标准干不过GNU扩展。
下面来看看__restrict__的真正含义。还记得CSDN上曾经载过一篇文章《为什么有些语言会比别的快》，其中提到“很长一段时间，相同的两个程序在Fortran和C（或者C++）中运行，Fortran会快一些，因为Fortran的优化做的更好。这是真的，就算C语言和Fortran的编译器用了相同的代码生成器也是一样。这个不同不是因为Fortran的某种特性，事实上恰恰相反，是因为Fortran不具备的特性。”这是因为C语言中的指针给编译器的优化带来了困难，文章中继续说道“问题就来了。这些指针可以代替任何内存地址。更重要的是，他们可以重叠。输出数组的内存地址也可以是输入数组的。甚至可以部分重叠，输出数组可以覆盖一个输入数组的一半。这对编译器优化来说是个大问题，因为之前基于数组的优化不再适用。特别的，添加元素的顺序也成问题，如果输出重叠的数组，计算的结果会变得不确定，取决于输出元素的动作是发生在元素被覆盖之前还是之后。”
有了__restrict__，C语言的该问题将不复存在。用__restrict__修饰一个指针后，①该指针只能在定义的时候被初始化；②不会再有别的指针指向该指针指向的内存，编译器可以对算法进行优化。如下代码
复制代码
代码如下:
t __restrict__ p = (t)malloc(100sizeof(t));
指针p有__restrict__关键字修饰，所以它只能在定义的时候被初始化，以后不能赋值，而没有__restrict__修饰的指针，可以随时赋值，如下
复制代码 代码如下:
t arr[100];
t pArr;
pArr = arr;
指针pArr没有被__restrict__关键字修饰，所以可以将数组的首地址赋值给它。
比如我们定义一个函数对两块数据进行操作，结果放入第3块内存，如下
复制代码代码如下:
void func1(void p1, void p2, void p3, t size){
for(t i=0; i<size; i++){
p3[i] = p1[i] + p2[i];
}
}
很显然，由于编译器没办法判断指针p1、p2、p3指向的内存是否重叠，所以无法进行优化，加上__restrict__关键字后，如下
复制代码代码如下:
void func1(void __restrict__ p1, void __restrict__ p2, void __restrict__ p3, t size){
for(t i=0; i<size; i++){
p3[i] = p1[i] + p2[i];
}
}
相当于明确告诉编译器这几块内存不会重叠，所以编译器就可以放心大胆对程序进行优化。
另一个关键字是_Complex，C99才引入，而且需要包含<plex.h>头文件。其实在GNU C中，早就有__plex__、__real__、__imag__等扩展关键字。如下代码
复制代码代码如下:
#clude <stdlib.h>
#clude <stdio.h></p>
<p>t ma(){
__plex__ a = 3 + 4i;
__plex__ b = 5 + 6i;
__plex__ c = a + b;
__plex__ d = a b;
__plex__ e = a / b;
prtf("a + b = %f + %fi\n", __real__ c, __imag__ c);
prtf("a b = %f + %fi\n", __real__ d, __imag__ d);
prtf("a / b = %f + %fi\n", __real__ e, __imag__ e);
return 0;
}
可以看到，在C语言中也可以直接对复数进行计算。数值计算再也不是Fortran的专利。
感悟二指针和数组还真是不一样
从学C语言开始，老师就教导我们说指针和数组是一样的，它们可以用同样的方式进行操作。而事实上，指针和数组还是有差别的。直到多年后读《C专家编程》，才直到所谓指针和数组一样是一个美丽的错误，只是因为在《The C Programmg Language》这本书里，把“作为函数参数时，指针和数组一样”这样一句话前后分开分别印到了两页而已。
比如，指针不保存数据的长度信息，而数组有，如下代码
复制代码代码如下:
#clude <stdlib.h>
#clude <stdio.h></p>
<p>t ma(){
t p = (t)malloc(100sizeof(t));
t arr[100] = {0};
prtf("The size of p: %d\n", sizeof(p));
prtf("The size of arr: %d\n", sizeof(arr));
return 0;
}
这段代码的运行结果为
复制代码代码如下:
The size of p: 8
The size of arr: 400
我们经常可以使用如下的代码片段来获得一个数组中有多少个元素，如下
复制代码代码如下:
t arr[100];
size_t length = sizeof(arr)/sizeof(t);
，当使用数组作为函数的参数的时候，数组会退化成指针。如下代码
复制代码代码如下:
#clude <stdlib.h>
#clude <stdio.h></p>
<p>void test_array(t arr[]){
prtf("The size of arr function: %d\n", sizeof(arr));
return;
}</p>
<p>t ma(){
t arr[100] = {0};
prtf("The size of arr ma: %d\n", sizeof(arr));
test_array(arr);
return 0;
}
这段代码的运行结果为
复制代码代码如下:
The size of arr ma: 400
The size of arr function: 8
感悟三C语言中的不完全类型（Inplete Types）
在GNU C中可以定义不完全类型，不完全类型主要有两种，一种是空的结构，一种是空的数组，比如
复制代码代码如下:
struct pot;
char name[0];
空的结构不能定义变量，只能使用空结构的指针。空结构可以在后面再将它补充完整，如下
复制代码代码如下:
struct pot{
t x,y;
};
空结构在定义链表的时候经常用到，如下
复制代码代码如下:
struct lked_list{
struct lked_list next;
t x;
/other elements here perhaps /
}
struct lked_list head;
还有一种不完全类型就是将一个结构的一项定义为一个空的数组，这样可以用来表示一个可变长度的结构或数组，演示该技术的代码如下
复制代码代码如下:
#clude <stdlib.h>
#clude <stdio.h></p>
<p>typedef struct {
t length;
t arr[0];
} plete_type;</p>
<p>t ma(){
char hello[] = "Hello, world!";
t length = sizeof(hello) / sizeof(char);
plete_type p = (plete_type)malloc(sizeof(t) + lengthsizeof(char));
p->length = length;
for(t i=0; i<p->length; i++){
p->arr[i] = hello[i];
}
prtf("p->length=%d\n", p->length);
prtf("p->arr=%s\n", p->arr);
}
打造C/C++的IDE
后面的内容展示如何将Vim打造成一个半自动的C/C++ IDE。读过我的Java博客的朋友应该知道，其实我更喜欢用Eclipse。只有在需要写非常简单的程序（比如做习题）的情况下，我才会用Vim。这在我的《》中有论述。在这篇文章中我展示了怎么使用Vundle管理插件以及怎么怎么阅读帮助文档，展示了taglist.vim的简单用法。如果要用Vim来写C/C++程序，还需要做少许扩展。
第一，安装以下几个插件，由于使用Vundle管理插件，所以只需要把插件名写入.vimrc配置文件，然后运行:BundleInstall即可，如下图
分别介绍一下这几个插件。The-NERD-tree是一个浏览目录和文件的插件，可以使用:help NERD_tree.txt查看它的帮助文档。taglist.vim是浏览符号以及在符号之间跳转的插件，使用:help taglist.txt查看它的帮助文档。a.vim是在源代码文件和头文件之间跳转的插件，不需要帮助文档，它的命令就是:A。c.vim是提供IDE功能的主要插件，它提供的功能有自动注释、反注释、自动插入代码块及自动运行，如果安装了splt，还可以对代码进行静态检查，使用:help csupport.txt查看它的文档。OmniCppComplete是一个提供自动补全功能的插件，使用:help omnicppplete.txt查看它的文档。
这些插件中，taglist.vim和OmniCppComplete需要ctags软件的支持，所以需要安装exuberant-ctags软件包，在Fedora 20中，只需要使用yum stall ctags即可自动安装。
第二，生成tags数据库，并将其加入到Vim中。
我们写C程序的时候，使用到的文件主要存在于两个地方，一个是我们工作的当前目录，一个是/usr/clude。所以要到/usr/clude目录下使用ctags命令生成tags数据库文件。为了使tags数据库中包含尽可能多的信息（结构、枚举、类、函数、宏定义等等），需要指定ctags的参数，如下
然后将该tags文件的路径加入到.vimrc配置文件中，设置一个键盘映射，使得按Ctrl+F12时，在工作目录中调用ctags命令。如下配置文件的两行
然后，在使用Vim写C程序的时候，如果输入了.、->这样的元素，则其成员会自动补全。如果输入的是一个字符串（比如函数名），可以按Ctrl-X Ctrl-O调用自动补全，如下图
不仅会弹出候选窗口，而且在最上面的窗口中会显示函数的完整的签名，及其所在的文件。这对于我们经常记不全函数名、记不清函数签名的人来说，已经是莫大的福音了。
taglist.vim和OmniCppComplete插件提供的功能用起来都只需要一个命令，而c.vim提供的命令就比较多了。而且在c.vim的帮助文档中并没有列出所有功能的命令，有一个办法可以学习这些命令，那就是打开GVim，通过GVim菜单中的C/C++菜单来学习c.vim提供的功能和命令。
相比网上其它的将Vim打造成IDE的文章，我的配置比较简单，基本上只安装了几个插件，而没有做过多的设置。当我需要某个功能的时候，我会使用命令显式地调用它，所以，称它为半自动化IDE吧。
