C语言深度语法掌握笔记：底层机制，高级概念

一、printf的%n格式说明符

 作用

• 写入输出字符数：将当前已输出的字符数量写入参数指定的内存地址

  c

  int count;
  printf("Hello%n", &count);  // 输出"Hello"后count=5

风险

• 格式化字符串攻击：若用户控制格式字符串，可向任意地址写入数据

  c

  // 危险代码！
  printf(user_input); // 用户输入"%100x%n"可覆盖返回地址

 防御措施

1. 禁用%n：使用printf_s等安全版本

2. 隔离用户输入：printf("%s", user_input)

二、信号处理函数中不可重入函数

 根本原因

• 异步执行冲突：信号处理函数中断主程序时：

  • 修改全局状态/静态缓冲区 → 主程序恢复后状态错乱

  • 操作共享资源（文件/内存池）→ 数据损坏

☠️ 危险函数示例

 安全实践

c

volatile sig_atomic_t flag = 0;  // 原子标志

void handler(int sig) {
  flag = 1;  // 仅设置标志
}

int main() {
  signal(SIGINT, handler);
  while (1) {
    if (flag) {
      // 在主程序中安全处理
      printf("Signal received\n"); 
      flag = 0;
    }
  }
}

三、setjmp/longjmp机制

 核心机制

• setjmp(env)：保存当前执行环境（寄存器/栈指针）到jmp_buf

  • 首次调用返回0

• longjmp(env, val)：跳回setjmp位置

  • 使setjmp返回val（若val=0则返回1）

 关键限制

1. 资源泄露：跳过资源释放（文件句柄/内存不释放）

2. 栈帧失效：若setjmp所在函数已返回 → 未定义行为

3. 变量回滚：非volatile变量可能恢复初始值

4. 信号不兼容：无法从信号处理函数跳转

 应用场景

• 深度嵌套错误处理（替代层层返回错误码）

• 简易协程实现（用户级多任务）

四、大小端系统输出差异

 关键代码

c

int x = 0x12345678;
char *p = (char*)&x;  // p指向最低地址字节
printf("%x", *p);     // 输出首字节值

 内存布局差异

 现实系统示例

• 小端系统：x86/x64, ARM(默认), RISC-V

• 大端系统：PowerPC, SPARC, 网络字节序

• 检测方法：

  c

  printf(*p == 0x78 ? "Little-Endian" : "Big-Endian");

五、restrict关键字

 核心用途

• 指针独占性承诺：向编译器保证指针是访问数据的唯一方式

• 优化触发：允许编译器进行激进优化（指令重排/寄存器缓存）

 风险示例

c

void add(int *restrict a, int *restrict b, int *c) {
  *a += *c;  // 编译器假设b/c不重叠
  *b += *c;  // 若实际重叠→UB
}

 正确使用场景

• 数学库函数（如memcpy实现）

• 性能关键循环

六、未定义行为(UB) vs 实现定义行为

 核心区别

七、严格别名规则(Strict Aliasing)

 核心规则

• 禁止通过不同类型指针访问同一内存（除char*）

• 优化目的：允许编译器基于类型假设优化内存访问

 违规示例

c

int a = 10;
float *p = (float*)&a;  // 违反规则!
printf("%f", *p);       // UB

 合法替代方案

1. 使用union进行类型转换

2. 通过char*访问

3. memcpy复制字节

八、原子操作重要性

 多线程问题根源

• 非原子操作（如count++）编译为多条指令 → 线程切换导致中间状态暴露

 原子操作特性

 C11解决方案

c

#include <stdatomic.h>
atomic_int counter = 0;
atomic_fetch_add(&counter, 1);  // 原子自增

九、_Generic关键字

 核心用途

• 编译时类型分发：根据表达式类型选择不同代码分支

• C11泛型编程：模拟函数重载

 应用示例

c

#define type_str(x) _Generic((x), \
    int: "int",                   \
    float: "float",               \
    char*: "string",              \
    default: "unknown"            \
)

printf("%s", type_str(10));     // 输出"int"
printf("%s", type_str("text")); // 输出"string"

十、可变长度数组(VLA)

 优点

1. 栈分配效率：比malloc更快（无堆管理开销）

   c

   void func(int n) {
     int vla[n];  // 栈分配
   }

2. 语法简洁：直接声明int arr[n]

 缺点

 使用建议

• 小型临时数组用VLA

• 大型或长期存在数组用malloc+free

综合知识图谱