操作系统系列：快速了解C语言以及C编程

本系列会写一些操作系统的知识，主要资料来源于国外大学的教材，供初学的人参考，欢迎大家讨论指正。

1 快速了解C语言

本系列内容所有代码使用C语言，因为要做很多系统调用，我们将在后面课程中介绍系统调用接口和操作系统的C函数调用接口，也会查看一些Unix内核源代码，而Unix的大多数版本主要是使用C语言编写的，再加上少量的汇编程序，而且大多数的Windows操作系统代码也是用C编写的，尽管它的代码并不公开，这个章节给出了一些针对C++程序员的简短的C语言教程。

如果你知道C++语言，那么C本质上是C++的一个子集，以下是二者之间的一些差异：

1. C没有类的概念，或者说C和类之间没有任何关系，比如说它：

• 没有构造函数
• 没有析构函数
• 没有继承的概念
• 没有运算符重载
• 没有模板

虽然C没有类的概念，但是它有结构体struct。结构体就像一个类一样，它可以有数据成员、但是它没有成员函数，并且相对于类来说，结构体的所有数据成员都是public。举例如下：

struct Student {
     char firstname[32];
     char lastname[32];
     int ID;
     double GPA;
};
.....
int main()
{
   struct Student Suzy;
   strcpy(Suzy.lastname,"Creamcheese");
   Suzy.ID = 234567;
   ...
}

Note: 声明结构体时，必须在名字前面加上struct。

2. C的所有变量必须在函数或者块中的第一个可执行语句之前声明。下面这段代码在C中是不被允许的:

{
   struct Student Suzy;
   strcpy(Suzy.lastname,"Creamcheese");
   struct Student Monica; /* wrong */
   int i;   /* wrong */
   ...
}

如果用C来写这段代码，如下：

{
   struct Student Suzy;
   struct Student Monica;
   int i; 
   strcpy(Suzy.lastname,"Creamcheese");
   ...
}

3. C的注释必须包含在 /* 和 */ 中。// 是C++风格的注释定界符，在C中是不允许使用的。

4. 如果要在C编程中分配内存空间，必须使用系统调用void* malloc(int n)，而不是像C++一样使用new。malloc的工作方式与new是类似的，它也是从堆中获取新的内存的地址并返回一个指针，参数n是分配的内存空间的字节数，在使用时，必须将malloc函数转换为正确的类型，也就是说void*要转换为合适的类型。举例如下：

char *cptr;
double *dblptr;
struct Student *stuptr;

cptr = (char *)malloc(100); 
							/* equiv to cptr = new char[100]; */
dblptr = (double *)malloc(sizeof(double) * n);
    						/* equiv to dblptr = new double[n]; */
stuptr = (struct Student *)malloc(sizeof(struct Student) * 47);
    						/* equiv to stuptr = new Student[47]; */

5. C中的输入和输出方式与C++也是完全不同的。在C中不允许使用 << 和 >> ，并且 cin 和 cout 也是未定义的，它使用的输出函数是scanf()和printf()。这2个函数可以使用可变数量的参数，第一个参数使用格式字符串 (char* ) ,其余参数则是要在printf中写入或者在scanf中读取的变量。
   在printf函数的格式化字符串中，除了百分号字符%后面的字符外，其它所有字符都按照其本身的样子打印出来。这里%后面的字符表示应打印变量的值，%后面要紧跟着一个表示数据类型的字母，其中，d表示证书，c表示字符，s表示字符串，f表示浮点数或者双精度浮点数。在格式化字符串中的每一个%都应该有一个参数对应。
   以下是printf的一些示例：

printf("Hello World\n");  /* prints Hello World followed by a carriage
                             return, known in Unix as a newline char */ 

int x, y,;
char c = 'A';
char *s="Hello World";
x = 17;
printf("The value of x is %d", x);  /* prints The value of x is 17 */
y = 430;
printf("The sum of %d and %d is %d\n",x,y,x+y);
                           /* prints The sum of 17 and 430 is 447 */
printf("The ascii value of %c is %d\n",c,c);
                           /* prints The ascii value of A is 65 */
printf("%s\n",s);          /* prints Hello World */

函数scanf()是从键盘读取数据，与printf()工作方式相同。

char name[32];
int age;
printf("Please enter your name: ");
scanf("%s",name);
printf("Please enter your age: ");
scanf("%d",&age); 

请注意，除了scanf变量的字符串之外，还必须要传递变量名称的地址。

还有很多从标准输入（这里默认为是键盘）读取的函数：

char* gets(char* buf) -该函数从标准输入读入一行字符到缓冲区buf，直到出现换行符为止，这是一个不安全的函数，因为如果读入的字符数大于了缓冲区的空间，就会出现溢出。
int getchar() - 该函数从标准输入读取单个字符，再返回该字符。
int putchar(int c) - 该函数将字符c写到标准输出（默认指的是终端）
int puts(char* s) - 该函数将字符串s写到标准输出（默认指终端）

6. C中的函数参数中不能有引用变量，要模拟引用调用，需要将变量的地址作为参数传递给函数，以下是个例子：

C program	                     				C++ equivalent
void fctn(int x, int *y)         				void fctn(int x, int& y)
{                               		 		{
    x = 17;                          	 			x = 17;
    *y = 46;                         	 			y = 46;
}                                	     		}
int main()                          			int main()
{                                				{
    int a = 12;                         			int a = 12;
    int b = 3;                           			int b = 3;
    fctn(a,&b);                        				fctn(a,b);
    printf("%d %d\n",a,b);      					cout << a << ' ' << b << endl;
    return 0;                           			return 0;
}                                       		}

以上两个示例打印了相同的输出：12，46

7. C中包含I/O操作的头文件是<stdio.h>，而不是<iostream.h>

8. C的源文件后缀是.c， 而不是.cpp，这是非常重要的区别，因为很多编译器（包括 Microsoft Visual Studio）会根据后缀不同而调用不同的编译器。

2 快速了解C编程

我们将使用Unix C编译器是gcc，即gnu c编译器。
首先，我们用最简单的形式使用gcc来编译一个C程序hello.c，在命令行中输入：

gcc hello.c

如果没有产生编译错误，会立即显示一个提示信息。可执行程序的名字是a.out，在命令行中输入下面的命令来运行这个程序。

./a.out

插入一些题外话:
Unix Shell(事实上所有的Unix进程都一样)都有一个内存区域称为环境，在其中定义了多个环境变量。Unix命令printenv会显示当前所有设置的环境变量。形式如下：

VARNAME=value

按照惯例，变量名全部大写，比如：

USER=ingallsr
HOME=/cs/ingallsr
TERM=dtterm

其中一个环境变量成为PATH，它由一个目录列表组成，由分号分隔，当您键入命令时，shell会在其中搜索可执行文件，要显示PATH的值，键入如下命令：

echo $PATH

输出可能类似于：

/usr/local/bin/:/usr/local/sbin/:/usr/bin/:/usr/local/X11R6/bin/

这与在windows上输入指令不同，在windows系统它的指令是：
>echo &PATH

当键入 a.out 等命令时，shell 必须找到该可执行文件的位置。 它先搜索路径中的第一个目录 (/usr/local/bin)，然后搜索第二个目录 (/usr/local/sbin)，然后搜索第三个目录 (/usr/bin)，依此类推，直到找到该目录的可执行文件 名称，然后执行它。 如果路径中的任何目录中都没有名为a.out的可执行程序，shell将显示command not find。 如果路径中的多个目录中有名为 a.out 的可执行文件，则它将仅执行找到的第一个文件。

命令 ./a.out 中的第一个点指的是当前目录。 这是在告诉 shell 不要去搜索路径中的目录了，只需要在当前工作目录中搜索就行了。
对于这个 . 是否应该出现在PATH的目录列表中存在一些争议，如果是，它到底是指的哪里呢？其中一派说，. 应该是指示路径中的第一个条目，如果是这样的话，那么你只需输入 a.out就可以了，它会执行你刚刚编译的程序。但另一派的观点则认为 . 应该指示的是文件列表的最后一个路径，那么在这种情况下，如果输入 a.out，它将执行刚刚通过编译创建的文件，除非路径列表中的某个目录中恰好有另一个名为 a.out 的可执行文件，这时另一个a.out将会被执行。还有一派则说，根本就不需要把这个 . 加到路径列表中，系统管理员会为你设置一个默认路径，而且通常来说，这个 . 不在默认路径中。

反对在路径中添加点的理由是，这是一个潜在的安全问题。 如果有人入侵了您的计算机，他们可以将一个会执行恶意操作的名为 ls 的可执行文件放入您的主目录中，下次您登录并输入 ls（这是最常用的命令）时，它将执行恶意版本，而不是执行系统 的ls。

在主目录中应该有一个名为 .bashrc 的隐藏文件，（在 Unix 中，隐藏文件以点作为第一个字符。如果您希望 ls 显示隐藏文件，请使用 -a 选项 (ls -a)）。该文件包含每当 bash 启动时运行的语句。 如果你想把 . 放在路径末尾，将以下行添加到 .bashrc。

export PATH=$PATH:.

shell命令export用于设置要导出到任何它所启动的程序的环境，该命令表示将 :. 连接到当前路径的末尾，再将 PATH 的值设置为其当前值。
将 . 加入到路径的开头，那么这样设置：

export PATH=.:$PATH

题外话结束，回归正题。

C 编译器实际上有数百个选项，可以通过输入 man gcc 来了解所有这些内容，只有其中的少数内容对本课程是重要的。

-o filenema 将输出可执行文件名为filename，而不是a.out
-Wall 和错误消息一样显示所有告警，在提交代码之前，要尝试消除产生告警的所有条件，比如未使用的变量。
-g 产生调试信息。Unix上有个gdb调试器（对于图形用户接口是xxgdb），如果你想使用这个调试器，那么编译时需要使用这个标志。

这里简短的介绍一下gdb。

使用GNU调试器GDB：

• 使用 -g 选项编译程序（gcc -g file.c）

• 可执行文件和源代码应位于同一目录中。 启动调试器指令为：
  gdb executable，例如 gdb a.out

• 大多数命令都可以通过其首字母来调用； 您无需输入整个单词。

• 在运行程序之前，使用break命令设置一个或多个断点，可以在行号或函数的开头设置。 例如

  b 136 		是指在第 136 行处中断，
  或者 		
  b fctnOne 	是指在 fctnOne 的开头处中断 
  

这里有一些更有用的命令：

run
开始运行程序，将运行到第一个断点，可以将参数传递给运行命令，它会将参数传递给您的程序。 例如: r arg1 arg2
print
显示变量或表达式的值
step
一次一行地执行程序，进入函数。
next
一次一行地执行程序，单步执行函数
continue
运行到下一个断点
list
显示源代码
quit
终止调试器
help
获取更多信息

任何大型程序都会有多个源文件，并且要传递多个源文件作为gcc的参数，它们合并在一起产生一个可执行程序，在所有源文件中有且只有一个main函数，它是入口函数。
比如，

gcc FileOne.c FileTwo.c FileThree.c

那么将会生成一个可执行程序a.out

gcc -o hello -g FileOne.c FileTwo.c FileThree.c

将会生成一个名为hello的可执行程序，并且可以使用gdb来调试它。