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)

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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

类型	示例	风险场景
缓冲区操作	printf, strtok	静态缓冲区被覆盖
内存管理	malloc, free	内存池状态不一致
全局变量修改	rand	随机数序列破坏

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;
    }
  }
}

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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）

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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

系统类型	存储顺序 (低地址→高地址)	输出值
小端	78 56 34 12	0x78
大端	12 34 56 78	0x12

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");

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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

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六、未定义行为(UB) vs 实现定义行为

核心区别

特征	未定义行为 (UB)	实现定义行为
标准约束	无任何约束	编译器必须文档化
后果可预测性	完全不可预测	平台内一致
开发者应对	必须避免	需查阅编译器文档
示例	空指针解引用、有符号溢出	sizeof(int)、字节序

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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

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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

特性	说明
不可分割性	其他线程看到操作前/后的完整状态
内存屏障	保证指令执行顺序
无数据竞争	避免并发访问冲突

C11解决方案

c

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

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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"

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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

问题类型	说明
栈溢出风险	大数组导致栈耗尽
不可初始化	int arr[n] = {0} 非法
生存期限制	函数返回后数组失效
sizeof行为	运行时计算，影响常量表达式

使用建议

• 小型临时数组用VLA

• 大型或长期存在数组用malloc+free

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