13.07.2021 08:10
ph_piter 11 3300 Источник
image Привет, Хаброжители! Для того чтобы овладеть языком C, знания одного лишь синтаксиса недостаточно. Специалист в области разработки должен обладать четким, научным пониманием принципов и методик. Книга «Экстремальный Cи» научит вас пользоваться продвинутыми низкоуровневыми возможностями языка для создания эффективных систем, чтобы вы смогли стать экспертом в программировании на Cи.

Вы освоите директивы препроцессора, макрокоманды, условную компиляцию, указатели и многое другое. Вы по новому взглянете на алгоритмы, функции и структуры. Узнаете, как выжимать максимум производительности из приложений с ограниченными ресурсами.

В XXI веке Си остается ключевым языком в машиностроении, авиации, космонавтики и многих других отраслях. Вы узнаете как язык работает с Unix, как реализовывать принципы объектно-ориентированного программирования и разберетесь с многопроцессной обработкой.

Камран Амини научит вас думать, сомневаться и экспериментировать. Эта книга просто необходима для всех, кто хочет поднять знания Cи на новый уровень.

Последние нововведения в C


Прогресс не остановить. Язык программирования C является стандартом ISO, постоянно пересматриваемым в попытках сделать его лучше и привнести в него новые возможности. Но это не значит, что C становится проще; по мере развития языка в нем появляются новые и сложные концепции.

В этой главе я проведу краткий обзор новшеств C11. Как вы, наверное, знаете, стандарт C11 пришел на смену C99 и позже был заменен стандартом C18. Иными словами, C18 — самая последняя версия языка C, а C11 — предыдущая.

Интересно, что в C18 не появилось никаких новых возможностей; эта версия содержит лишь исправления ошибок, найденных в C11. Таким образом, все, что мы говорим о C11, фактически относится и к C18 — то есть к самому последнему стандарту C. Как видите, в C наблюдаются постоянные улучшения… вопреки мнению о том, что этот язык давно умер!

В данной главе будет представлен краткий обзор следующих тем:

  • способы определения версии C и написания кода, совместимого с разными версиями этого языка;
  • новые средства оптимизации и защиты исходного кода, такие как невозвращаемые функции и функции с проверкой диапазона;
  • новые типы данных и методы компоновки памяти;
  • функции с обобщенными типами;
  • поддержка Unicode в C11, которой не хватало в предыдущих стандартах этого языка;
  • анонимные структуры и объединения;
  • встроенная поддержка многопоточности и методов синхронизации в C11.

Начнем эту главу с обсуждения стандарта C11 и его нововведений.

C11


Разработка нового стандарта для технологии, которая используется на протяжении более 30 лет, — непростая задача. На C написаны миллионы (если не миллиарды!) строчек кода, и если вы хотите добавить новые возможности, то это нужно делать так, чтобы не затронуть существующий код. Новшества не должны создавать новые проблемы для имеющихся программ и не должны содержать ошибки. Такой взгляд на вещи может показаться идеалистическим, но это то, к чему нам следует стремиться.

Приведенный ниже PDF-документ находится на сайте Open Standards и выражает обеспокоенность и мысли участников сообщества C перед началом работы над C11: «PDF-документ». Его полезно почитать, поскольку в нем собран опыт разработки нового стандарта для языка, на котором уже было написано несколько тысяч проектов.

Мы будем рассматривать выпуск C11 с учетом всего вышесказанного. Будучи опубликованным впервые, стандарт C11 был далек от идеала и имел некоторые серьезные дефекты, со списком которых можно ознакомиться по адресу «PDF-документ».

Через семь лет после выхода C11 был представлен стандарт C18, который должен был исправить недостатки предшественника. Стоит отметить, что C18 также неофициально называют C17, но это один и тот же стандарт. На странице, приведенной в ссылке выше, можно просмотреть перечень дефектов и их текущее состояние. Если состояние дефекта помечено как C17, то это значит, он был исправлен в рамках C18. Это показывает, насколько сложным и щепетильным может быть процесс формирования стандарта с таким большим количеством пользователей, как у языка C.

В следующих разделах речь пойдет о новых возможностях C11. Но прежде, чем мы по ним пройдемся, необходимо убедиться в том, что у нас есть компилятор, совместимый с данным стандартом. Об этом мы позаботимся в следующем разделе.

Определение поддерживаемой версии стандарта C


На момент написания этих строк с момента выхода стандарта C11 прошло почти восемь лет. И потому было бы логично ожидать, что он уже поддерживается многими компиляторами. И это действительно так. Открытые компиляторы, такие как gcc и clang, имеют полную поддержку C11, но при необходимости могут переключаться на C99 и даже более ранние версии C. В данном разделе я покажу, как с помощью специального макроса определить версию C и в зависимости от нее использовать поддерживаемые возможности языка.

Если ваш компилятор поддерживает разные версии стандарта C, то первым делом нужно проверить, какая версия является текущей. Каждый стандарт C определяет специальный макрос, позволяющий сделать это. До сих пор мы использовали gcc в Linux и clang в macOS. В gcc 4.1 C11 предоставляется в качестве одного из поддерживаемых стандартов.

Рассмотрим следующий пример, чтобы понять, как на этапе выполнения узнать текущую версию стандарта C, используя уже определенный макрос (листинг 12.1).

Листинг 12.1. Определение версии стандарта C (ExtremeC_examples_chapter12_1.c)

#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
#if __STDC_VERSION__ >= 201710L
  printf("Hello World from C18!\n");
#elif __STDC_VERSION__ >= 201112L
  printf("Hello World from C11!\n");
#elif __STDC_VERSION__ >= 199901L
  printf("Hello World from C99!\n");
#else
  printf("Hello World from C89/C90!\n");
#endif
  return 0;
}

Как видите, данный код может различать разные версии стандарта C. Чтобы продемонстрировать, как разные версии приводят к разному выводу, скомпилируем этот исходный код несколько раз с применением разных стандартов C, поддерживаемых компилятором.

Чтобы заставить компилятор использовать определенный стандарт C, ему нужно передать параметр -std=CXX. Взгляните на следующую команду и на вывод, который она генерирует (терминал 12.1).

Терминал 12.1. Компиляция примера 12.1 с помощью разных версий стандарта C

$ gcc ExtremeC_examples_chapter12_1.c -o ex12_1.out
$ ./ex12_1.out
Hello World from C11!
$ gcc ExtremeC_examples_chapter12_1.c -o ex12_1.out -std=c11
$ ./ex12_1.out
Hello World from C11!
$ gcc ExtremeC_examples_chapter12_1.c -o ex12_1.out -std=c99
$ ./ex12_1.out
Hello World from C99!
$ gcc ExtremeC_examples_chapter12_1.c -o ex12_1.out -std=c90
$ ./ex12_1.out
Hello World from C89/C90!
$ gcc ExtremeC_examples_chapter12_1.c -o ex12_1.out -std=c89
$ ./ex12_1.out
Hello World from C89/C90!
$

Как видите, в новых компиляторах по умолчанию используется C11. В более старых версиях для включения C11 может понадобиться параметр -std. Обратите внимание на комментарии в начале файла. Я использовал многострочный формат, /*… */, вместо однострочного, //. Дело в том, что однострочные комментарии не поддерживались в стандартах, предшествовавших C99. Поэтому пришлось сделать комментарии многострочными, чтобы код компилировался со всеми версиями C.

Удаление функции gets


Из C11 была убрана знаменитая функция gets. Она была подвержена атакам с переполнением буфера, и в предыдущих версиях ее решили сделать нерекомендуемой. Позже она была удалена в рамках стандарта C11. Следовательно, старый исходный код, в котором используется эта функция, нельзя скомпилировать с помощью C11.

Вместо gets можно использовать функцию fgets. Вот отрывок из справочной страницы gets в macOS.
Соображения безопасности
Функция gets() не подходит для безопасного использования. Ввиду отсутствия проверки диапазона и неспособности вызывающей программы надежно определить длину следующей входной строчки, применение этой функции позволяет недобросовестным пользователям вносить произвольные изменения в функциональность запущенной программы с помощью атаки переполнения буфера. В любых ситуациях настоятельно рекомендуется задействовать функцию fgets() (см. FSA).

Изменения в функции fopen


Функция fopen обычно используется для открытия файла и возвращения его дескриптора. Понятие файла в Unix очень абстрактно и может не иметь ничего общего с файловой системой. Функция fopen имеет следующие сигнатуры (листинг 12.2).

Листинг 12.2. Различные сигнатуры функций семейства fopen

FILE* fopen(const char *pathname, const char *mode);
FILE* fdopen(int fd, const char *mode);
FILE* freopen(const char *pathname, const char *mode, FILE *stream);

Все сигнатуры, приведенные выше, принимают входной параметр mode. Это строка, которая определяет режим открытия файла. В терминале 12.2 приведено описание, взятое из справочной страницы fopen в FreeBSD. В нем объясняется, как следует использовать mode.

Терминал 12.2. Отрывок из справочной страницы fopen в FreeBSD

$ man 3 fopen
...
The argument mode points to a string beginning with one of the following letters:

"r"      Open for reading. The stream is positioned at the beginning
         of the file. Fail if the file does not exist.

"w"      Open for writing. The stream is positioned at the beginning
         of the file. Create the file if it does not exist.

"a"      Open for writing. The stream is positioned at the end of
         the file. Subsequent writes to the file will always end up
         at the then current end of file, irrespective of
         any intervening fseek(3) or similar. Create the file
         if it does not exist.

An optional "+" following "r", "w", or "a" opens the file
for both reading and writing. An optional "x" following "w" or
"w+" causes the fopen() call to fail if the file already exists.
An optional "e" following the above causes the fopen() call to set
the FD_CLOEXEC flag on the underlying file descriptor.
The mode string can also include the letter "b" after either
the "+" or the first letter.
...
$

Режим x, описанный в данном отрывке, был представлен вместе со стандартом C11. Чтобы открыть файл для записи, функции fopen нужно передать режим w или w+. Но проблема вот в чем: если файл уже существует, то режимы w и w+ сделают его пустым.

Поэтому если программист хочет добавить что-то в файл, не стирая имеющееся содержимое, то должен задействовать другой режим, a. Следовательно, перед вызовом fopen ему нужно проверить существование файла, используя API файловой системы, такой как stat, и затем выбрать подходящий режим в зависимости от результата. Но теперь программист может сначала попробовать режим wx или wx+, и если файл уже существует, то fopen вернет ошибку. После этого можно продолжить, применяя режим a.

Таким образом, открытие файла требует меньше шаблонного кода, поскольку нам больше не нужно проверять его существование с помощью API файловой системы. Теперь файл можно открыть в любом режиме, используя одну лишь функцию fopen.

В C11 также появился API fopen_s. Это безопасная версия fopen. Согласно документации, которая находится по ссылке en.cppreference.com/w/c/io/fopen, функция fopen_s выполняет дополнительную проверку предоставленных ей буферов и их границ, что позволяет обнаружить любые несоответствия.

Функции с проверкой диапазона


Программам на языке C, которые работают с массивами строк и байтов, присуща одна серьезная проблема: они могут легко выйти за пределы диапазона, определенного для буфера или байтового массива.

Напомню, буфер — область памяти, которая служит для хранения массива байтов или строковой переменной. Выход за ее границы приводит к переполнению буфера, чем могут воспользоваться злоумышленники, чтобы организовать атаку (которую обычно называют атакой переполнения буфера). Это приводит либо к отказу в обслуживании(denial of service, DoS), либо к эксплуатации атакуемой программы.

Большинство таких атак обычно начинаются с функции, которая работает с массивами символов или байтов. В число уязвимых попадают функции обработки строк наподобие strcpy и strcat, находящиеся в string.h. У них нет механизмов проверки границ, которые могли бы предотвратить атаки переполнения буфера.

Однако в C11 появился новый набор функций с проверкой диапазона. Они имеют те же имена, что и функции для работы со строками, но с суффиксом _s в конце. Он означает, что они являются безопасной (secure) разновидностью традиционных функций и проводят дополнительные проверки на этапе выполнения, защищаясь от уязвимостей. Среди функций с проверкой диапазона, появившихся в C11, можно выделить strcpy_s и strcat_s.

Эти функции принимают дополнительные аргументы для входных буферов, которые исключают выполнение опасных операций. Например, функция strcpy_s имеет следующую сигнатуру (листинг 12.3).

Листинг 12.3. Сигнатура функции strcpy_s

errno_t strcpy_s(char *restrict dest, rsize_t destsz, const char *restrict src);

Как видите, второй аргумент — длина буфера dest. С его помощью функция проводит определенные проверки на этапе выполнения; например, она убеждается в том, что строка src не длиннее буфера dest, предотвращая тем самым запись в невыделенную память.

Невозвращаемые функции


Вызов функции можно завершить либо с помощью ключевого слова return, либо при достижении конца ее блока. Бывают также ситуации, в которых вызов функции никогда не завершается, и обычно это делается намеренно. Взгляните на следующий пример кода, представленный в листинге 12.4.

Листинг 12.4. Пример функции, которая никогда не возвращается

void main_loop() {
  while (1) {
     ...
  }
}

int main(int argc, char** argv) {
     ...
     main_loop();
     return 0;
}

Основную работу в этой программе выполняет функция main_loop. После возвращения из нее программу можно считать завершенной. В таких исключительных случаях компилятор может провести дополнительную оптимизацию, но для этого он должен знать, что функция main_loop никогда не возвращается.

В C11 вы можете указать, что функция является невозвращаемой и никогда не прекращает работу. Для этого можно использовать ключевое слово _Noreturn из заголовочного файла stdnoreturn.h. Таким образом, код из листинга 12.4 можно изменить в соответствии с C11 (листинг 12.5).

Листинг 12.5. Использование ключевого слова _Noreturn, чтобы пометить функцию main_loop как невозвращаемую

_Noreturn void main_loop() {
  while (true) {
     ...
  }
}

Существуют и другие функции, которые считаются невозвращаемыми: exit, quick_exit (были добавлены недавно в рамках C11 для быстрого завершения программы) и abort. Кроме того, зная о невозвращаемых функциях, компилятор может распознать вызовы, которые не возвращаются по ошибке, и сгенерировать соответствующее предупреждение, поскольку это может быть признаком некорректной логики. Обратите внимание: ситуация, когда функция, помеченная как _Noreturn, возвращается, является примером неопределенного поведения и ни в коем случае не приветствуется.

Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок

Для Хаброжителей скидка 25% по купону — ООП

По факту оплаты бумажной версии книги на e-mail высылается электронная книга.