Linux折騰記（六）：感悟GNU C及把Vim打造成C/C++的半自動化IDE
我要評論C語言在Linux系統(tǒng)中的重要性自然是無與倫比、不可替代，所以我寫Linux江湖系列不可能不提C語言。C語言是我的啟蒙語言，感謝C語言帶領(lǐng)我進(jìn)入了程序世界。雖然現(xiàn)在不靠它吃飯，但是仍免不了經(jīng)常和它打交道，特別是在Linux系統(tǒng)下。
Linux系統(tǒng)中普遍使用的是GNU-C，這里有一份Gnu-C語言手冊.pdf。The GNU C Reference Manual的主頁在這里：http://www.gnu.org/software/gnu-c-manual/。C語言的內(nèi)核極其緊湊，該手冊總共只有91頁，去掉目錄、附錄和索引后就只有70頁。我一般一個多小時就可以將其從頭至尾復(fù)習(xí)一遍。我曾有過將其翻譯成中文的想法，后來還是放棄了。翻譯這種字斟句酌的事情還是讓別人來干吧。我只寫寫我自己的感悟。
感悟一：C語言標(biāo)準(zhǔn)干不過GNU擴(kuò)展
最近為了研究X Window的底層協(xié)議，開始嘗試使用XCB編程。當(dāng)我打開XCB的頭文件的時候，我被大量的__restrict__關(guān)鍵字驚呆了，好在有GNU C語言手冊為我答疑解惑。__restrict__又是一個GNU擴(kuò)展的關(guān)鍵字，后面我會詳細(xì)講解該關(guān)鍵字的用途。其實(shí)C語言的C99標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)引入了restrict關(guān)鍵字，沒有前后的下劃線，但是在大量的開源代碼中，使用最普遍的還是GNU的擴(kuò)展，而不是C語言標(biāo)準(zhǔn)。
和restrict關(guān)鍵字有相同命運(yùn)的還有inline、_Complex等，它們都是在C99標(biāo)準(zhǔn)中引入的關(guān)鍵字，但是其實(shí)在C99標(biāo)準(zhǔn)出來之前，GNU C中早就有了__inline__、__complex__等擴(kuò)展關(guān)鍵字。還記得多年前我學(xué)習(xí)Linux 0.11版的源代碼時，看到大量的__inline__曾經(jīng)疑惑不已，不知道為什么Linus在91年就能用上了如此先進(jìn)的語言功能，后來才知道，這是GNU的擴(kuò)展關(guān)鍵字。
C語言的標(biāo)準(zhǔn)有C89和C99，使用GCC的時候甚至要顯示指定-std=c99才能全面支持C99標(biāo)準(zhǔn)，所以在開源界，大家還是喜歡首選GNU的擴(kuò)展關(guān)鍵字。比如__inline__、__complex__和__restrict__?？偠灾珻語言標(biāo)準(zhǔn)干不過GNU擴(kuò)展。
下面來看看__restrict__的真正含義。還記得CSDN上曾經(jīng)載過一篇文章《為什么有些語言會比別的快》，其中提到“很長一段時間，相同的兩個程序在Fortran和C（或者C++）中運(yùn)行，F(xiàn)ortran會快一些，因?yàn)镕ortran的優(yōu)化做的更好。這是真的，就算C語言和Fortran的編譯器用了相同的代碼生成器也是一樣。這個不同不是因?yàn)镕ortran的某種特性，事實(shí)上恰恰相反，是因?yàn)镕ortran不具備的特性。”這是因?yàn)镃語言中的指針給編譯器的優(yōu)化帶來了困難，文章中繼續(xù)說道：“問題就來了。這些指針可以代替任何內(nèi)存地址。更重要的是，他們可以重疊。輸出數(shù)組的內(nèi)存地址也可以同時是輸入數(shù)組的。甚至可以部分重疊，輸出數(shù)組可以覆蓋一個輸入數(shù)組的一半。這對編譯器優(yōu)化來說是個大問題，因?yàn)橹盎跀?shù)組的優(yōu)化不再適用。特別的，添加元素的順序也成問題，如果輸出重疊的數(shù)組，計(jì)算的結(jié)果會變得不確定，取決于輸出元素的動作是發(fā)生在元素被覆蓋之前還是之后。”
有了__restrict__，C語言的該問題將不復(fù)存在。用__restrict__修飾一個指針后，①該指針只能在定義的時候被初始化；②不會再有別的指針指向該指針指向的內(nèi)存，因此編譯器可以對算法進(jìn)行優(yōu)化。如下代碼：
int * __restrict__ p = (int*)malloc(100*sizeof(int));
指針p有__restrict__關(guān)鍵字修飾，所以它只能在定義的時候被初始化，以后不能賦值，而沒有__restrict__修飾的指針，可以隨時賦值，如下：
int arr[100];
int* pArr;
pArr = arr;
指針pArr沒有被__restrict__關(guān)鍵字修飾，所以可以將數(shù)組的首地址賦值給它。
比如我們定義一個函數(shù)對兩塊數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，結(jié)果放入第3塊內(nèi)存，如下：
void func1(void* p1, void* p2, void* p3, int size){
for(int i=0; i<size; i++){
p3[i] = p1[i] + p2[i];
}
}
很顯然，由于編譯器沒辦法判斷指針p1、p2、p3指向的內(nèi)存是否重疊，所以無法進(jìn)行優(yōu)化，加上__restrict__關(guān)鍵字后，如下：
void func1(void* __restrict__ p1, void* __restrict__ p2, void* __restrict__ p3, int size){
for(int i=0; i<size; i++){
p3[i] = p1[i] + p2[i];
}
}
相當(dāng)于明確告訴編譯器這幾塊內(nèi)存不會重疊，所以編譯器就可以放心大膽對程序進(jìn)行優(yōu)化。
另一個關(guān)鍵字是_Complex，C99才引入，而且需要包含<complex.h>頭文件。其實(shí)在GNU C中，早就有__complex__、__real__、__imag__等擴(kuò)展關(guān)鍵字。如下代碼：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h></p> <p>int main(){
__complex__ a = 3 + 4i;
__complex__ b = 5 + 6i;
__complex__ c = a + b;
__complex__ d = a * b;
__complex__ e = a / b;
printf("a + b = %f + %fi\n", __real__ c, __imag__ c);
printf("a * b = %f + %fi\n", __real__ d, __imag__ d);
printf("a / b = %f + %fi\n", __real__ e, __imag__ e);
return 0;
}
可以看到，在C語言中也可以直接對復(fù)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值計(jì)算再也不是Fortran的專利。
感悟二：指針和數(shù)組還真是不一樣
從學(xué)C語言開始，老師就教導(dǎo)我們說指針和數(shù)組是一樣的，它們可以用同樣的方式進(jìn)行操作。而事實(shí)上，指針和數(shù)組還是有差別的。直到多年后讀《C專家編程》，才直到所謂指針和數(shù)組一樣是一個美麗的錯誤，只是因?yàn)樵凇禩he C Programming Language》這本書里，把“作為函數(shù)參數(shù)時，指針和數(shù)組一樣”這樣一句話前后分開分別印到了兩頁而已。
比如，指針不保存數(shù)據(jù)的長度信息，而數(shù)組有，如下代碼：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h></p> <p>int main(){
int* p = (int*)malloc(100*sizeof(int));
int arr[100] = {0};
printf("The size of p: %d\n", sizeof(p));
printf("The size of arr: %d\n", sizeof(arr));
return 0;
}
這段代碼的運(yùn)行結(jié)果為：
The size of p: 8
The size of arr: 400
我們經(jīng)常可以使用如下的代碼片段來獲得一個數(shù)組中有多少個元素，如下：
int arr[100];
size_t length = sizeof(arr)/sizeof(int);
但是，當(dāng)使用數(shù)組作為函數(shù)的參數(shù)的時候，數(shù)組會退化成指針。如下代碼：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h></p> <p>void test_array(int arr[]){
printf("The size of arr in function: %d\n", sizeof(arr));
return;
}</p> <p>int main(){
int arr[100] = {0};
printf("The size of arr in main: %d\n", sizeof(arr));
test_array(arr);
return 0;
}
這段代碼的運(yùn)行結(jié)果為：
The size of arr in main: 400
The size of arr in function: 8
感悟三：C語言中的不完全類型（Incomplete Types）
在GNU C中可以定義不完全類型，不完全類型主要有兩種，一種是空的結(jié)構(gòu)，一種是空的數(shù)組，比如：
struct point;
char name[0];
空的結(jié)構(gòu)不能定義變量，只能使用空結(jié)構(gòu)的指針?？战Y(jié)構(gòu)可以在后面再將它補(bǔ)充完整，如下：
struct point{
int x,y;
};
空結(jié)構(gòu)在定義鏈表的時候經(jīng)常用到，如下：
struct linked_list{
struct linked_list* next;
int x;
/*other elements here perhaps */
}
struct linked_list* head;
還有一種不完全類型就是將一個結(jié)構(gòu)的最后一項(xiàng)定義為一個空的數(shù)組，這樣可以用來表示一個可變長度的結(jié)構(gòu)或數(shù)組，演示該技術(shù)的代碼如下：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h></p> <p>typedef struct {
int length;
int arr[0];
} incomplete_type;</p> <p>int main(){
char hello[] = "Hello, world!";
int length = sizeof(hello) / sizeof(char);
incomplete_type* p = (incomplete_type*)malloc(sizeof(int) + length*sizeof(char));
p->length = length;
for(int i=0; i<p->length; i++){
p->arr[i] = hello[i];
}
printf("p->length=%d\n", p->length);
printf("p->arr=%s\n", p->arr);
}
打造C/C++的IDE
后面的內(nèi)容展示如何將Vim打造成一個半自動的C/C++ IDE。讀過我的Java博客的朋友應(yīng)該知道，其實(shí)我更喜歡用Eclipse。只有在需要寫非常簡單的程序（比如做習(xí)題）的情況下，我才會用Vim。這在我的《打造屬于自己的Vim》中有論述。在這篇文章中我展示了怎么使用Vundle管理插件以及怎么怎么閱讀幫助文檔，同時展示了taglist.vim的簡單用法。如果要用Vim來寫C/C++程序，還需要做少許擴(kuò)展。
第一，安裝以下幾個插件，由于使用Vundle管理插件，所以只需要把插件名寫入.vimrc配置文件，然后運(yùn)行:BundleInstall即可，如下圖：
分別介紹一下這幾個插件。The-NERD-tree是一個瀏覽目錄和文件的插件，可以使用:help NERD_tree.txt查看它的幫助文檔。taglist.vim是瀏覽符號以及在符號之間跳轉(zhuǎn)的插件，使用:help taglist.txt查看它的幫助文檔。a.vim是在源代碼文件和頭文件之間跳轉(zhuǎn)的插件，不需要幫助文檔，它的命令就是:A。c.vim是提供IDE功能的主要插件，它提供的功能有自動注釋、反注釋、自動插入代碼塊及自動運(yùn)行，如果安裝了splint，還可以對代碼進(jìn)行靜態(tài)檢查，使用:help csupport.txt查看它的文檔。OmniCppComplete是一個提供自動補(bǔ)全功能的插件，使用:help omnicppcomplete.txt查看它的文檔。
這些插件中，taglist.vim和OmniCppComplete需要ctags軟件的支持，所以需要安裝exuberant-ctags軟件包，在Fedora 20中，只需要使用yum install ctags即可自動安裝。
第二，生成tags數(shù)據(jù)庫，并將其加入到Vim中。
我們寫C程序的時候，使用到的文件主要存在于兩個地方，一個是我們工作的當(dāng)前目錄，另外一個是/usr/include。所以要到/usr/include目錄下使用ctags命令生成tags數(shù)據(jù)庫文件。為了使tags數(shù)據(jù)庫中包含盡可能多的信息（結(jié)構(gòu)、枚舉、類、函數(shù)、宏定義等等），需要指定ctags的參數(shù)，如下：
然后將該tags文件的路徑加入到.vimrc配置文件中，同時設(shè)置一個鍵盤映射，使得按Ctrl+F12時，在工作目錄中調(diào)用ctags命令。如下配置文件的最后兩行：
然后，在使用Vim寫C程序的時候，如果輸入了.、->這樣的元素，則其成員會自動補(bǔ)全。如果輸入的是一個字符串（比如函數(shù)名），可以按Ctrl-X Ctrl-O調(diào)用自動補(bǔ)全，如下圖：
不僅會彈出候選窗口，而且在最上面的窗口中會顯示函數(shù)的完整的簽名，及其所在的文件。這對于我們經(jīng)常記不全函數(shù)名、記不清函數(shù)簽名的人來說，已經(jīng)是莫大的福音了。
taglist.vim和OmniCppComplete插件提供的功能用起來都只需要一個命令，而c.vim提供的命令就比較多了。而且在c.vim的幫助文檔中并沒有列出所有功能的命令，有一個辦法可以學(xué)習(xí)這些命令，那就是打開GVim，通過GVim菜單中的C/C++菜單來學(xué)習(xí)c.vim提供的功能和命令。
相比網(wǎng)上其它的將Vim打造成IDE的文章，我的配置比較簡單，基本上只安裝了幾個插件，而沒有做過多的設(shè)置。當(dāng)我需要某個功能的時候，我會使用命令顯式地調(diào)用它，所以，稱它為半自動化IDE吧。
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