Python源码剖析笔记0——C语言基础回顾

要分析python源码,C语言的基础不能少,特别是指针和结构体等知识。这篇文章先回顾C语言基础,方便后续代码的阅读。

1 关于ELF文件

linux中的C编译得到的目标文件和可执行文件都是ELF格式的,可执行文件中以segment来划分,目标文件中,我们是以section划分。一个segment包含一个或多个section,通过readelf命令可以看到完整的section和segment信息。看一个栗子:

char pear[40];
static double peach;
int mango = 13;
char *str = "hello";

static long melon = 2001;

int main()
{
        int i = 3, j;
        pear[5] = i;
        peach = 2.0 * mango;
        return 0;
}

这是个简单的C语言代码,现在分析下各个变量存储的位置。其中mango,melon属于data section,pear和peach属于common section中,而且peach和melon加了static,说明只能本文件使用。而str对应的字符串"helloworld"存储在rodata section中。main函数归属于text section,函数中的局部变量i,j在运行时在栈中分配空间。注意到前面说的全局未初始化变量peach和pear是在common section中,这是为了强弱符号而设置的。那其实最终链接成为可执行文件后,会归于BSS segment。同样的,text section和rodata section在可执行文件中都属于同一个segment。

更多ELF内容参见《程序猿的自我修养》一书。

2 关于指针

想当年学习C语言最怕的就是指针了,当然《c与指针》和《c专家编程》以及《高质量C编程》里面对指针都有很好的讲解,系统回顾还是看书吧,这里我总结了一些基础和易错的点。环境是ubuntu14.10的32位系统,编译工具GCC。

2.1 指针易错点

/***
指针易错示例1 demo1.c
***/

int main()
{
        char *str = "helloworld"; //[1]
        str[1] = 'M'; //[2] 会报错
        char arr[] = "hello"; //[3]
        arr[1] = 'M';
        return 0;
}

demo1.c中,我们定义了一个指针和数组分别指向了一个字符串,然后修改字符串中某个字符的值。编译后运行会发现[2]处会报错,这是为什么呢?用命令gcc -S demo1.c 生成汇编代码就会发现[1]处的helloworld是存储在rodata section的,是只读的,而[3]处的是存储在栈中的。所以[2]报错而[3]正常。在C中,用[1]中的方式创建字符串常量并赋值给指针,则字符串常量存储在rodata section。而如果是赋值给数组,则存储在栈中或者data section中(如[3]就是存储在栈中)。示例2给出了更多容易出错的点,可以看看。

/***
指针易错示例2 demo2.c
***/
char *GetMemory(int num) {
        char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
        return p;
}

char *GetMemory2(char *p) {
        p = (char *)malloc(sizeof(char) * 100);
}

char *GetString(){
        char *string = "helloworld";
        return string;
}

char *GetString2(){
        char string[] = "helloworld";
        return string;
}

void ParamArray(char a[])
{
        printf("sizeof(a)=%d\n", sizeof(a)); // sizeof(a)=4,参数以指针方式传递
}

int main()
{
        int a[] = {1, 2, 3, 4};
        int *b = a + 1;
        printf("delta=%d\n", b-a); // delta=4,注意int数组步长为4
        printf("sizeof(a)=%d, sizeof(b)=%d\n", sizeof(a), sizeof(b)); //sizeof(a)=16, sizeof(b)=4
        ParamArray(a); 
        
        
        //引用了不属于程序地址空间的地址,导致段错误
        /*
        int *p = 0;
        *p = 17;         
        */
        
        char *str = NULL;
        str = GetMemory(100);
        strcpy(str, "hello");
        free(str); //释放内存
        str = NULL; //避免野指针

        //错误版本,这是因为函数参数传递的是副本。
        /*
        char *str2 = NULL;
        GetMemory2(str2);
        strcpy(str2, "hello");
        */

        char *str3 = GetString();
        printf("%s\n", str3);

        //错误版本,返回了栈指针,编译器会有警告。
        /*
        char *str4 = GetString2();
        */
        return 0;
}

2.2 指针和数组

在2.1中也提到了部分指针和数组内容,在C中指针和数组在某些情况下可以相互转换来使用,比如char *str="helloworld"可以通过str[1]来访问第二个字符,也可以通过*(str+1)来访问。
此外,在函数参数中,使用数组和指针也是等同的。但是指针和数组在有些地方并不等同,需要特别注意。

比如我定义一个数组char a[9] = "abcdefgh";(注意字符串后面自动补\0),那么用a[1]读取字符'b'的流程是这样的:

  • 首先,数组a有个地址,我们假设是9980。
  • 然后取偏移值,偏移值为索引值*元素大小,这里索引是1,char大小也为1,因此加上9980为9981,得到数组a第1个元素的地址。(如果是int类型数组,那么这里偏移就是1 * 4 = 4)
  • 取地址9981处的值,就是'b'。

那如果定义一个指针char *a = "abcdefgh";,我们通过a[1]来取第一个元素的值。跟数组流程不同的是:

  • 首先,指针a自己有个地址,假设是4541.
  • 然后,从4541取a的值,也就是字符串“abcdefgh”的地址,假定是5081。
  • 接着就是跟之前一样的步骤了,5081加上偏移1,取5082地址处的值,这里就是'b'了。

通过上面的说明可以发现,指针比数组多了一个步骤,虽然看起来结果是一致的。因此,下面这个错误就比较好理解了。在demo3.c中定义了一个数组,然后在demo4.c中通过指针来声明并引用它,显然是会报错的。如果改成extern char p[];就正确了(当然声明你也可以写成extern char p[3],声明里面的数组大小跟实际大小不一致是没有关系的),一定要保证定义和声明匹配。

/***
demo3.c
***/
char p[] = "helloworld";

/***
demo4.c
***/
extern char *p;
int main()
{
        printf("%c\n", p[1]);
        return 0;
}

3 关于typedef和#define

typedef和#define都是经常用的,但是它们是不一样的。一个typedef可以塞入多个声明器,而#define一般只能有一个定义。在连续声明中,typedef定义的类型可以保证声明的变量都是同一种类型,而#define不行。此外,typedef是一种彻底的封装类型,在声明之后不能再添加其他的类型。如代码中所示。

#define int_ptr int *
int_ptr i, j; //i是int *类型,而j是int类型。

typedef char * char_ptr;
char_ptr c1, c2; //c1, c2都是char *类型。

#define peach int
unsigned peach i; //正确

typdef int banana;
unsigned banana j; //错误,typedef声明的类型不能扩展其他类型。

另外,typedef在结构体定义中也很常见,比如下面代码中的定义。需要注意的是,[1]和[2]是很不同的。当你如[1]中那样用typedef定义了struct foo,那么其实除了本身的foo结构标签,你还定义了foo这种结构类型,所以可以直接用foo来声明变量。而如[2]中的定义是不能用bar来声明变量的,因为它只是一个结构变量,并不是结构类型。

还有一点需要说明的是,结构体是有自己名字空间的,所以结构体中的字段可以跟结构体名字相同,比如[3]中那样也是合法的,当然尽量不要这样用。后面一节还会更详细探讨结构体,因为在Python源码中也有用到很多结构体。

typedef struct foo {int i;} foo; //[1]
struct bar {int i;} bar; //[2]

struct foo f; //正确,使用结构标签foo
foo f; //正确,使用结构类型foo

struct bar b; //正确,使用结构标签bar
bar b; // 错误,使用了结构变量bar,bar已经是个结构体变量了,可以直接初始化,比如bar.i = 4;

struct foobar {int foorbar;}; //[3]合法的定义

4 关于结构体

在学习数据结构的时候,定义链表和树结构会经常用到结构体。比如下面这个:

struct node {
    int data;
    struct node* next;
};

在定义链表的时候可能就有点奇怪了,为什么可以这样定义,貌似这个时候struct node还没有定义好为什么就可以用next指针指向用这个结构体定义了呢?

4.1 不完全类型

这里要说下C语言里面的不完全类型。C语言可以分为函数类型,对象类型以及不完全类型。而对象类型还可以分为标量类型和非标量类型。算术类型(如int,float,char等)和指针类型属于标量类型,而定义完整的结构体,联合体,数组等都是非标量类型。而不完全类型是指没有定义完整的类型,比如下面这样的

struct s;
union u;
char str[];

具有不完全类型的变量可以通过多次声明组合成一个完全类型。比如下面2词声明str数组是合法的:

char str[];
char str[10];

此外,如果两个源文件定义了同一个变量,只要它们不全部是强类型的,那么也是可以编译通过的。比如下面这样是合法的,但是如果将file1.c中的int i;改成强定义如int i = 5;那么就会出错了。

//file1.c
int i;

//file2.c
int i = 4;

4.2 不完全类型结构体

不完全类型的结构体十分重要,比如我们最开始提到的struct node的定义,编译器从前往后处理,发现struct node *next时,认为struct node是一个不完全类型,next是一个指向不完全类型的指针,尽管如此,指针本身是完全类型,因为不管什么指针在32位系统都是占用4个字节。而到后面定义结束,struct node成了一个完全类型,从而next就是一个指向完全类型的指针了。

4.3 结构体初始化和大小

结构体初始化比较简单,需要注意的是结构体中包含有指针的时候,如果要进行字符串拷贝之类的操作,对指针需要额外分配内存空间。如下面定义了一个结构体student的变量stu和指向结构体的指针pstu,虽然stu定义的时候已经隐式分配了结构体内存,但是你要拷贝字符串到它指向的内存的话,需要显示分配内存。

struct student {
    char *name;
    int age;
} stu, *pstu;

int main()
{
    stu.age = 13; //正确
    // strcpy(stu.name,"hello"); //错误,name还没有分配内存空间
        
    stu.name = (char *)malloc(6);
    strcpy(stu.name, "hello"); //正确
        
    return 0;
}

结构体大小涉及一个对齐的问题,对齐规则为:

  • 结构体变量首地址为最宽成员长度(如果有#pragma pack(n),则取最宽成员长度和n的较小值,默认pragma的n=8)的整数倍
  • 结构体大小为最宽成员长度的整数倍
  • 结构体每个成员相对结构体首地址的偏移量都是每个成员本身大小(如果有pragma pack(n),则是n与成员大小的较小值)的整数倍
    因此,下面结构体S1和S2虽然内容一样,但是字段顺序不同,大小也不同,sizeof(S1) = 8, 而sizeof(S2) = 12. 如果定义了#pragma pack(2),则sizeof(S1)=8;sizeof(S2)=8
typedef struct node1
{
    int a;
    char b;
    short c;
}S1;

typedef struct node2
{
    char b;
    int a;
    short c;
}S2;

4.4 柔性数组

柔性数组是指结构体的最后面一个成员可以是一个大小未知的数组,这样可以在结构体中存放变长的字符串。如代码中所示。注意,柔性数组必须是结构体最后一个成员,柔性数组不占用结构体大小.当然,你也可以将数组写成char str[0],含义相同。

updated: 查看Python源码过程中,发现其柔性数组声明并不是用一个空数组或者char str[0],而是用的char str[1],即数组大小为1。这是因为ISO C标准不允许声明大小为0的数组(gcc -pedanti参数可以检查是否符合ISO C标准),为了可移植性,所以常常看到的是声明数组大小为1。当然,很多编译器比如GCC等把数组大小为0作为了一个非标准的扩展,所以声明空的或者大小为0的柔性数组在GCC中是可以正常编译的。

struct flexarray {
        int len;
        char str[];
} *pfarr;

int main()
{
        char s1[] = "hello, world";
        pfarr = malloc(sizeof(struct flexarray) + strlen(s1) + 1);
        pfarr->len = strlen(s1);
        strcpy(pfarr->str, s1);
        printf("%d\n", sizeof(struct flexarray)); // 4
        printf("%d\n", pfarr->len); // 12
        printf("%s\n", pfarr->str); // hello, world
        return 0;
}

5 总结

  • 关于const,c语言中的const不是常量,所以不能用const变量来定义数组,如const int N = 3; int a[N];这是错误的。
  • 注意内存分配和释放,杜绝野指针。
  • C语言中弱符号和强符号一起链接是合法的。
  • 注意指针和数组的区别。
  • typedef和#define是不同的。
  • 注意包含指针的结构体的初始化和柔性数组的使用。

6 参考资料

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 157,924评论 4 360
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 66,902评论 1 290
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 107,716评论 0 239
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 43,783评论 0 203
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 52,166评论 3 286
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 40,510评论 1 216
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,784评论 2 311
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 30,476评论 0 196
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,196评论 1 241
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,459评论 2 243
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,978评论 1 258
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,321评论 2 252
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,964评论 3 235
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,046评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,803评论 0 193
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,530评论 2 271
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,420评论 2 265

推荐阅读更多精彩内容

  • 前言 把《C++ Primer》[https://book.douban.com/subject/25708312...
    尤汐Yogy阅读 9,446评论 1 51
  • 指针是C语言中广泛使用的一种数据类型。 运用指针编程是C语言最主要的风格之一。利用指针变量可以表示各种数据结构; ...
    朱森阅读 3,387评论 3 44
  • 版权声明:本文为 gfson 原创文章,转载请注明出处。注:作者水平有限,文中如有不恰当之处,请予以指正,万分感谢...
    gfson阅读 2,672评论 0 6
  • 最近迷上笑来老师,订了专栏,报了新生大学,还持续不断地追着他听讲座。昨天晚上是他关于《七年一辈子》这本书和他十年的...
    自我冒险家阅读 206评论 1 0
  • 那天你走了 抛下一切踏上了行程 那是人一辈子最终的站点 如果人能活一百岁 那么死亡是百年一遇的事 而你是幸还是不幸...
    雨初33阅读 298评论 0 0