【C/C++】嵌入式程序员应该知道的0X10个C语言问题

2023-08-01 16:22:22

一、预处理器（Preprocessor）

1 . 用预处理指令#define 声明一个常数，用以表明 1 年中有多少秒（忽略闰年问题）

#define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL

　　想看到的几件事情：

#define 语法的基本知识（例如：不能以分号结束，括号的使用，等等）
懂得预处理器将为你计算常数表达式的值，因此，直接写出你是如何计算一年中有多少秒而不是计算出实际的值，是更清晰而没有代价的。
意识到这个表达式将使一个 16 位机的整型数溢出-因此要用到长整型符号 L,告诉编译器这个常数是的长整型数。
如果你在你的表达式中用到 UL （表示无符号长整型），那么你有了一个好的起点。记住，第一印象很重要。

2 . 写一个"标准"宏 MIN ，这个宏输入两个参数并返回较小的一个。

#define MIN(A,B) ((A) <= (B) ? (A) : (B))

　　这个测试是为下面的目的而设的：

标识#define 在宏中应用的基本知识。这是很重要的，因为直到嵌入(inline)操作符变为标准 C 的一部分，宏是方便产生嵌入代码的唯一方法，对于嵌入式系统来说，为了能达到要求的性能，嵌入代码经常是必须的方法。
三重条件操作符的知识。这个操作符存在 C 语言中的原因是它使得编译器能产生比 if-then-else 更优化的代码，了解这个用法是很重要的。
懂得在宏中小心地把参数用括号括起来

3. 预处理器标识#error的目的是什么？

　　编译程序时，只要遇到 #error 就会跳出一个编译错误，其目的就是保证程序是按照所设想的那样进行编译的。当程序比较大时，往往有些宏定义是在外部指定的（如makefile），或是在系统头文件中指定的，当不太确定是否定义了 XXX 时，就可以改成如下这样进行编译：

#ifdef XXX

...

#error "XXX has been defined"

#else

#endif

　　这样,如果编译时出现错误,输出了XXX has been defined,表明宏XXX已经被定义了。
　　指令用途

# 空指令，无任何效果
#include 包含一个源代码文件
#define 定义宏
#undef 取消已定义的宏
#if 如果给定条件为真，则编译下面代码
#ifdef 如果宏已经定义，则编译下面代码
#ifndef 如果宏没有定义，则编译下面代码
#elif 如果前面的#if给定条件不为真，当前条件为真，则编译下面代码
#endif 结束一个#if……#else条件编译块
#error 停止编译并显示错误信息

4. 嵌入式系统中经常要用到无限循环，怎么样用C编写死循环呢？

　　方案1：

while()

{

  ......

}

　　方案2：

  for(int i = ; i > ; i++)

 {

   ......

  }

5. 用变量a给出下面的定义

一个整型数
一个指向整型数的指针
一个指向指针的的指针，它指向的指针是指向一个整型数
一个有10个整型数的数组
一个有10个指针的数组，该指针是指向一个整型数的
一个指向有10个整型数数组的指针
一个指向函数的指针，该函数有一个整型参数并返回一个整型数
一个有10个指针的数组，该指针指向一个函数，该函数有一个整型参数并返回一个整型数

　　答案是：

 int a;

 int *a;

 int **a;

 int a[];

 int *a[];

 int (*a)[];

 int (*a)(int);

 int (*a[])(int);

6. 关键字static的作用是什么？

　　在C语言中，关键字static有三个明显的作用：

在函数体，一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。
在模块内（但在函数体外），一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问，但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变量。
在模块内，一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是，这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。

7．关键字const是什么含意？

const int a;
int const a;
const int *a;
int *const a;
int const *a const;

前两个的作用是一样，a是一个常整型数；
第三个意味着a是一个指向常整型数的指针（也就是，整型数是不可修改的，但指针可以）；
第四个意思a是一个指向整型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是可以修改的，但指针是不可修改的）；
最后一个意味着a是一个指向常整型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是不可修改的，同时指针也是不可修改的）。

关键字const的作用是为了给读你代码的人传达非常有用的信息，实际上，声明一个参数为常量是为了告诉用户这个参数的应用目的。如果你曾花很多时间清理其它人留下的垃圾，你就会很快学会感谢这点多余的信息。
通过给优化器一些附加的信息，使用关键字const也许能产生更紧凑的代码。
合理地使用关键字const可以使编译器很自然地保护那些不希望被改变的参数，防止其被无意的代码修改。简而言之，这样可以减少bug的出现。

8. 关键字volatile有什么含意并给出三个不同的例子。

一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子：

并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）；
一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量；
多线程应用中被几个任务共享的变量；

　　这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。

　　稍微深究一下，看一下是不是直正懂得volatile完全的重要性。

一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。
一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。

下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr)

{

    return *ptr  *  *ptr;

}

　　答案

是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。
是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中断服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。
这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码：
```
int square(volatile int *ptr)

{

    int a,b;

    a = *ptr;

    b = *ptr;

    return a * b;

}
```
由于*ptr的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：
```
int square(volatile int *ptr)

{

    int a,b;

    a = *ptr;

    b = *ptr;

    return a * b;

}
```

9. 嵌入式系统总是要用户对变量或寄存器进行位操作。

　　给定一个整型变量a，写两段代码，第一个设置a的bit 3，第二个清除a 的bit 3。

　　在以上两个操作中，要保持其它位不变。

#define BIT3 (0x1<<3)

static int a;

void set_bit3(void)

{

    a |= BIT3;

}

void clear_bit3(void)

{

    a &= ~BIT3;

}

10. 嵌入式系统经常要求程序员去访问某特定的内存位置。

　　在某工程中，要求设置一绝对地址为0x67a9的整型变量的值为0xaa66。编译器是一个纯粹的ANSI编译器。写代码去完成这一任务。
　　典型的类似代码如下：

int *ptr;

ptr = (int *)0x67a9;

*ptr = 0xaa66;

11. 中断是嵌入式系统中重要的组成部分，这导致了很多编译开发商提供一种扩展：让标准C支持中断。

　　具代表事实是，产生了一个新的关键字__interrupt。下面的代码就使用了__interrupt关键字去定义了一个中断服务子程序(ISR)，请评论一下这段代码的。

__interrupt double compute_area (double radius)

{

    double area = PI * radius * radius;

    printf(" Area = %f", area);

    return area;

}

　　这个函数有太多的错误了，以至不知从何说起了：

ISR 不能返回一个值。如果你不懂这个，那么你不会被雇用的。
ISR 不能传递参数。如果你没有看到这一点，你被雇用的机会等同第一项。
在许多的处理器/编译器中，浮点一般都是不可重入的。有些处理器/编译器需要让额处的寄存器入栈，有些处理器/编译器就是不允许在ISR中做浮点运算。此外，ISR应该是短而有效率的，在ISR中做浮点运算是不明智的。
与第三点一脉相承，printf()经常有重入和性能上的问题。如果你丢掉了第三和第四点，别人也不会太为难你。不用说，如果能得到后两点，那么被雇用前景就会越来越光明了。

12 . 下面的代码输出是什么，为什么？

void foo(void)

{

    unsigned int a = ;

    int b = -;

    (a+b > )? puts("> 6") : puts("<= 6");

}

　　这个问题测试你是否懂得C语言中的整数自动转换原则，有些开发者懂得极少这些东西。不管如何，这无符号整型问题的答案是输出是“>6”。原因是当表达式中存在有符号类型和无符号类型时所有的操作数都自动转换为无符号类型。因此-20变成了一个非常大的正整数，所以该表达式计算出的结果大于6。这一点对于应当频繁用到无符号数据类型的嵌入式系统来说是丰常重要的。

13. 评价下面的代码片断

unsigned int zero = ;

unsigned int compzero = 0xFFFF;

/*1's complement of zero */

　　对于一个int型不是16位的处理器为说，上面的代码是不正确的。应编写如下：

unsigned int compzero = ~;

　　这一问题真正能揭露出你是否懂得处理器字长的重要性。好的嵌入式程序员非常准确地明白硬件的细节和它的局限，然而PC机程序往往把硬件作为一个无法避免的烦恼。

二、动态内存分配（Dynamic memory allocation）

14. 尽管不像非嵌入式计算机那么常见，嵌入式系统还是有从堆（heap）中动态分配内存的过程的。那么嵌入式系统中，动态分配内存可能发生的问题是什么？

　　这里期望能提到内存碎片，碎片收集的问题，变量的持行时间等等。这个主题已经在ESP杂志中被广泛地讨论过了（主要是 P.J. Plauger, 他的解释远远超过这里能提到的任何解释），所以回过头看一下这些杂志吧！一个小节目：下面的代码片段的输出是什么，为什么？

char *ptr;

if ((ptr = (char *)malloc()) == NULL)

    puts("Got a null pointer");

else

    puts("Got a valid pointer");

　　这是一个有趣的问题。最近一个同事不经意把0值传给了函数malloc，得到了一个合法的指针之后，才想到这个问题。这就是上面的代码，该代码的输出是“Got a valid pointer”。讨论这样的一问题，得到正确的答案固然重要，但解决问题的方法和做决定的基本原理更重要些。

三、Typedef

15. Typedef 在C语言中频繁用以声明一个已经存在的数据类型的同义字。也可以用预处理器做类似的事。

　　例如，思考一下下面的例子：

#define dPS struct s *

typedef struct s * tPS;

　　以上两种情况的意图都是要定义dPS 和 tPS 作为一个指向结构s指针。哪种方法更好呢？（如果有的话）为什么？
　　这是一个非常微妙的问题，任何人答对这个问题（正当的原因）是应当被恭喜的。答案是：typedef更好。思考下面的例子：

dPS p1,p2;

tPS p3,p4;

　　第一个扩展为

struct s * p1, p2;

　　上面的代码定义p1为一个指向结构的指，p2为一个实际的结构，这也许不是你想要的。第二个例子正确地定义了p3 和p4 两个指针。

四、晦涩的语法

16. C语言同意一些令人震惊的结构,下面的结构是合法的吗，如果是它做些什么？

int a = , b = , c;

c = a+++b;

　　不管你相不相信，上面的例子是完全合乎语法的。问题是编译器如何处理它？水平不高的编译作者实际上会争论这个问题，根据最处理原则，编译器应当能处理尽可能所有合法的用法。因此，上面的代码被处理成：

c = a++ + b;

　　因此, 这段代码持行后a = 6, b = 7, c = 12。

　　如果你知道答案，或猜出正确答案，做得好。如果你不知道答案，也不要把这个当作问题。发现这个问题的最大好处是:这是一个关于代码编写风格，代码的可读性，代码的可修改性的好的话题

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