Split (1)

train · 48.5k rows

text stringlengths 0 4.32k
Каждое поле имеет определённое смещение относительно адреса структуры и размер. Смещение можно получить с помощью макроса offsetof из заголовочного файла stddef.h. При этом смещение будет зависеть от выравнивания и размера предыдущих полей. Размер поля обычно определяется выравниванием структуры если размер выравнивания типа данных поля меньше значения выравнивания структуры, то размер поля определяется выравниванием структуры. Выравнивание типов данных можно получить с помощью макроса alignofd из заголовочного файла stdalign.h. Размер самой структуры является совокупным размером всех её полей с учётом выравнивания. При этом некоторые компиляторы предоставляют специальные атрибуты, позволяющие упаковывать структуры, убирая из них выравнивания32.
Полям структур можно явно задавать размер в битах через двоеточие после определения поля и указание количества бит, что ограничивает диапазон их возможных значений, несмотря на тип поля. Подобный подход может использоваться как альтернатива флагам и битовым маскам для обращения к ним. Однако указание количества бит не отменяет возможного выравнивания полей структур в памяти. Работа с битовыми полями имеет ряд ограничений к ним невозможно применить оператор sizeof или макрос alignof, на них невозможно получить указатель.
Объединения необходимы в тех случаях, когда требуется обращаться к одной и той же переменной как к разным типам данных обозначаются ключевым словом union. Внутри объединения может быть объявлено произвольное количество пересекающихся полей, которые по факту предоставляют доступ к одной и той же области памяти как к разным типам данных. Размер объединения выбирается компилятором исходя из размера самого большого поля в объединении. Следует иметь в виду, что изменение одного поля объединения приводит к изменению и всех других полей, но гарантированно правильным будет только значение того поля, которое менялось.
Объединения могут служить более удобной альтернативной приведению указателя к произвольному типу. К примеру, с помощью объединения, помещённого в структуру, можно создавать объекты с динамически меняющимся типом данных
Массивы в языке Си примитивны и являются лишь синтаксическим абстрагированием над арифметикой указателей. Сам по себе массив является указателем на область памяти, поэтому вся информация о размерности массива и его границах может быть доступна только на этапе компиляции согласно описанию типа. Массивы могут быть как одномерными, так и многомерными, но обращение к элементу массива сводится к простому вычислению смещения относительно адреса начала массива. Поскольку массивы основаны на адресной арифметике, с ними возможно работать без использования индексов33. Так, например, следующие два примера считывания с потока ввода 10 чисел идентичны друг другу
Длина массивов с заранее известным размером вычисляется на этапе компиляции. В стандарте C99 появилась возможность объявлять массивы переменной длины, у которых длина может задаваться на этапе выполнения. Под такие массивы выделяется память из области стека, поэтому их необходимо использовать с осторожностью, если их размер может задаваться извне программы. В отличие от выделения динамической памяти, превышение допустимого размера в области стека может повлечь непредсказуемые последствия, а отрицательная длина массива неопределённое поведение. Начиная с C11 массивы переменной длины являются опциональными для компиляторов, а отсутствие поддержки определяется наличием макроса __STDC_NO_VLA__34.
Массивы фиксированного размера, объявляемые как локальные или глобальные переменные, можно инициализировать, задавая им начальное значение с помощью фигурных скобок и перечисления элементов массива через запятую. В инициализаторах глобальных массивов допускается использовать только такие выражения, которые вычисляются на этапе компиляции35. Переменные, используемые в таких выражениях должны объявляться как константы, с модификатором const. У локальных массивов инициализаторы могут содержать выражения с вызовами функций и использованием других переменных, в том числе можно заносить указатель на сам объявляемый массив.
Со стандарта C99 последним элементом структур допускается объявлять массив произвольной длины, что широко используется на практике и поддерживается различными компиляторами. Размер такого массива зависит от объёма памяти, выделяемого под структуру. При этом нельзя объявлять массив таких структур и нельзя их помещать в другие структуры. В операциях над такой структурой массив произвольной длины обычно игнорируется, в том числе и при вычислении размера структуры, а выход за пределы массива влечёт за собой неопределённое поведение36.
Язык Си не предусматривает какого-либо контроля выхода за пределы массива, поэтому программист сам должен следить за работой с массивами. Ошибки при обработке массивов не всегда явно влияют на ход исполнения программы, но могут приводить к ошибкам сегментирования и уязвимостям.
Язык Си допускает создание собственных названий типов с помощью оператора typedef. Альтернативные названия можно задавать как системным типам, так и пользовательским. Такие названия объявляются в глобальном пространстве имён и не конфликтуют с названиями типов структур, перечислений и объединений.
Альтернативные названия могут применяться как для упрощения кода, так и для создания уровней абстракции. Например, некоторые системные типы можно сократить для повышения читабельности кода или унифицирования его написания в пользовательском коде
Примером абстрагирования могут служить названия типов в заголовочных файлах операционных системах. Так, стандарт POSIX определяет тип pid_t, предназначенный для хранения числового идентификатора процесса. На самом деле данный тип является альтернативным названием для какого-либо примитивного типа, например
Поскольку типы с альтернативными названиями являются лишь синонимами оригинальным типам, то между ними сохраняется полная совместимость и взаимозаменяемость.
Препроцессор работает до компиляции и преобразует текст файла программы согласно встреченным в нём или переданным в препроцессор директивам. Технически препроцессор может быть реализован по-разному, но логически его удобно представлять именно как отдельный модуль, целиком обрабатывающий каждый предназначенный для компиляции файл и формирующий текст, попадающий затем на вход компилятора. Препроцессор ищет в тексте строки, начинающиеся с символа , вслед за которым должны следовать директивы препроцессора. Всё, что не относится к директивам препроцессора и не исключено из компиляции согласно директивам, передаётся на вход компилятора в неизменном виде.
В число возможностей препроцессора входит
Важно понимать, что препроцессор обеспечивает только подстановку текста, не учитывая синтаксис и семантику языка. Так, например, макроопределения define могут встречаться внутри функций или определений типов, а директивы условной компиляции могут приводить к исключению из компилируемого текста программы любой части кода, без оглядки на грамматику языка. Вызов параметрического макроса также отличается от вызова функции, поскольку не происходит анализа семантики аргументов, разделяемых запятой. Так, например, в аргументы параметрического макроса невозможно передать инициализацию массива, поскольку его элементы тоже разделяются запятой
Макроопределения часто используются для обеспечения совместимости с разными версиями библиотек, у которых изменился API, включая те или иные участки кода в зависимости от версии библиотеки. Для этих целей библиотеки часто предоставляют макроопределения с описанием своей версии37, а иногда и макросы с параметрами для сравнения текущей версии с заданной в рамках препроцессора38. Также макроопределения применяются для условной компиляции отдельных кусков программы, например для включения поддержки какого-либо дополнительного функционала.
Макроопределения с параметрами широко используются в Си-программах для создания аналогов обобщённых функций. Ранее они также применялись для реализации встраиваемых функций, но начиная со стандарта С99 эта необходимость исчезла благодаря добавлению inline-функций. Однако в связи с тем, что макроопределения с параметрами функциями не являются, но вызываются аналогичным образом, по ошибке программиста могут возникать неожиданные проблемы, включая отработку только части кода из макроопределения39 и неправильные приоритеты выполнения операций40. В качестве примера ошибочного кода можно привести макрос возведения числа в квадрат
В приведённом выше примере ошибкой является то, что содержимое аргумента макроса подставляется в текст как есть, без учёта приоритетов операций. В таких случаях необходимо использовать inline-функции либо явно расставлять приоритеты операций в выражениях, использующих параметры макроса, с помощью круглых скобок
Программа представляет собой набор файлов с кодом на языке Си, которые могут компилироваться в объектные файлы. Объектные файлы затем проходят этап компоновки друг с другом, а также со внешними библиотеками, в результате чего получается итоговый исполняемый файл или библиотека. Связь файлов друг с другом, равно как и с библиотеками, требует описания прототипов используемых функций, внешних переменных и необходимых типов данных в каждом файле. Такие данные принято выносить в отдельные заголовочные файлы, которые подключаются с помощью директивы include в тех файлах, где требуется та или иная функциональность, и позволяют организовывать систему, похожую на систему модулей. Модулем в таком случае может выступать
Поскольку директива include лишь подставляет текст другого файла на этапе препроцессора, многократное подключение одного и того же файла может приводить к ошибкам этапа компиляции. Поэтому в таких файлах используется защита от повторного включения с помощью макрокоманд define и ifndef41.
Текст файла исходного кода на языке Си состоит из набора глобальных определений данных, типов и функций. Глобальные переменные и функции, объявленные со спецификаторами static и inline, доступны только в пределах того файла, в котором они объявлены, либо при включении одного файла в другой через директиву include. При этом функции и переменные, объявленные в заголовочном файле со словом static, будут создаваться заново при каждом подключении заголовочного файла к очередному файлу с исходным кодом. Глобальные переменные и прототипы функции, объявленные со спецификатором extern, считаются подключаемыми из других файлов. То есть их допускается использовать в соответствии с описанием предполагается, что после сборки программы они будут связаны компоновщиком с оригинальными объектами и функциями, описанными в своих файлах.
Глобальные переменные и функции, кроме static и inline, могут быть доступны из других файлов при условии их надлежащего объявления там со спецификатором extern. Переменные и функции, объявленные с модификатором static, также могут быть доступны в других файлах, но лишь при передаче их адреса по указателю. Объявления типов typedef, struct и union не могут импортироваться в других файлах. При необходимости использования в других файлах они должны быть там продублированы либо вынесены в отдельный заголовочный файл. То же самое относится и к inline-функциям.
Для исполняемой программы стандартной точкой входа является функция с именем main, которая не может быть статической и должна быть единственной в программе. Исполнение программы начинается с первого оператора функции main и продолжается до выхода из неё, после чего программа завершается и возвращает операционной системе абстрактный целочисленный код результата своей работы.
В переменную argc при вызове передаётся количество аргументов, переданных программе, включая и путь к самой программе, поэтому обычно переменная argc содержит значение не меньшее, чем 1. В переменную argv передаётся сама строка запуска программы в виде массива текстовых строк, последним элементом которого является NULL. Компилятор гарантирует, что на момент запуска функции main все глобальные переменные в программе будут инициализированы43.
В качестве результата функция main может вернуть любое целое число в диапазоне значений типа int, которое будет передано операционной системе или другому окружению в качестве кода возврата программы42. Стандарт языка не определяет смысла кодов возврата44. Обычно операционная система, где работают программы, имеет те или иные средства, позволяющие получить значение кода возврата и проанализировать его. Иногда существуют определённые соглашения о значениях этих кодов. Общим является соглашение о том, что нулевое значение кода возврата сигнализирует об успешном завершении программы, а ненулевое представляет собой код возникшей ошибки. Заголовочный файл stdlib.h определяет два общих макроопределения EXIT_SUCCESS и EXIT_FAILURE, которые соответствуют успешному и неуспешному завершению работы программы44. Коды возврата также могут использоваться в рамках приложений, включающих в себя множество процессов, для обеспечения взаимодействия между этими процессами, в случае чего приложение само определяет смысловое значение для каждого кода возврата.
В Си предусмотрено 4 способа выделения памяти, которые определяют время жизни переменной и момент её инициализации43.
Все эти способы хранения данных пригодны в различных ситуациях и имеют свои преимущества и недостатки. Глобальные переменные не позволяют писать реентерабельные алгоритмы, а автоматическое выделение памяти не позволяет возвращать произвольную область памяти из вызова функции. Автоматическое выделение также не подходит для выделения больших объёмов памяти, поскольку может привести к порче стека или кучи45. Динамическая память лишена этих недостатков, но имеет большие накладные расходы при её использовании и более сложна в использовании.
Там, где это возможно, предпочтительным является автоматическое или статическое выделение памяти такой способ хранения объектов управляется компилятором, что освобождает программиста от трудностей ручного выделения и освобождения памяти, как правило, служащего источником трудно отыскиваемых ошибок утечек памяти, ошибок сегментирования и повторного освобождения в программе. К сожалению, многие структуры данных имеют переменный размер во время выполнения программы, поэтому из-за того, что автоматически и статически выделенные области должны иметь известный фиксированный размер во время компиляции, очень часто требуется использовать динамическое выделение.
Для автоматически выделяемых переменных с помощью модификатора register можно давать подсказку компилятору о необходимости быстрого доступа к ним. Такие переменные могут помещаться в регистры процессора. Из-за ограниченного количества регистров и возможных оптимизаций компилятора переменные могут оказаться в обычной памяти, но тем не менее из программы на них невозможно будет получить указатель46. Модификатор register является единственным, который можно указывать в аргументах функций47.
Язык Си унаследовал линейную адресацию памяти при работе со структурами, массивами и выделенными областями памяти. Стандарт языка также допускает выполнение операций сравнения над нулевым указателем и над адресами в рамках массивов, структур и выделенных областей памяти. Также допускается работа с адресом элемента массива, следующим за последним, что сделано для облегчения написания алгоритмов. Однако сравнение указателей адресов, полученных для разных переменных или областей памяти не должно осуществляться, так как результат будет зависеть от реализации конкретного компилятора48.
Представление памяти программы зависит от аппаратной архитектуры, от операционной системы и от компилятора. Так, например, на большинстве архитектур стек растёт вниз, но существуют архитектуры, где стек растёт вверх49. Граница между стеком и кучей может быть частично защищена от переполнения стека специальной областью памяти50. А расположение данных и кода библиотек может зависеть от параметров компиляции51. Стандарт Си абстрагируется над реализацией и позволяет писать переносимый код, однако понимание устройства памяти процесса помогает в отладке и написании безопасных и отказоустойчивых приложений.
При запуске программы из исполняемого файла в оперативную память импортируются инструкции процессора машинный код и инициализированные данные. В то же время в старшие адреса импортируются аргументы командной строки доступные в функции main со следующей сигнатурой во втором аргументе int argc, char argv и переменные окружения.
Область неинициализированных данных содержит глобальные переменные в том числе, объявленные как static, которые не были проинициализированы в программном коде. Такие переменные по умолчанию инициализируются нулями после старта программы. Область инициализированных данных сегмент данных тоже содержит глобальные переменные, но в эту область попадают те переменные, которым было задано начальное значение. Неизменяемые данные, включающие в себя переменные, объявленные с модификатором const, строковые литералы и другие составные литералы, помещаются в сегмент текста программы. Сегмент текста программы содержит также исполняемый код и доступен только на чтение, поэтому попытка изменения данных из этого сегмента приведёт к неопределённому поведению в виде ошибки сегментации.
Область стека предназначена для размещения данных, связанных с вызовом функций, и локальных переменных. Перед каждым запуском функции стек увеличивается для размещения в нём аргументов, передаваемых в функцию. В ходе своей работы функция может размещать в стеке локальные переменные и выделять в нём память под массивы переменной длины, а некоторые компиляторы предоставляют также средства выделения памяти в рамках стека посредством вызова alloca, который не входит в стандарт языка. После завершения работы функции стек уменьшается до того значения, которое было перед вызовом, однако этого может не происходить при некорректной работе со стеком. Память, выделенная динамически, предоставляется из кучи.
Немаловажной деталью является наличие случайного отступа между стеком и верхней областью53, а также между областью инициализированных данных и кучей. Делается это в целях безопасности, например, для предотвращения встраивания в стек других функций.
Динамически подключаемые библиотеки и отображения файлов с файловой системы находятся между стеком и кучей54.
В Си отсутствуют какие-либо встроенные механизмы контроля ошибок, но существует несколько общепринятых способов их обработки средствами языка. В общем виде практика обработки ошибок языка Си в отказоустойчивом коде вынуждает писать громоздкие, часто повторяющиеся конструкции, в которых алгоритм совмещён с обработкой ошибок.
В языке Си активно используется специальная переменная errno из заголовочного файла errno.h, в которую функции заносят код ошибки, возвращая при этом значение, являющееся маркером ошибки. Для проверки результата на ошибки результат сравнивают с маркером ошибки, и, если они совпадают, то можно проанализировать код ошибки, сохранённый в errno, для корректировки работы программы или вывода отладочного сообщения. В стандартной библиотеке стандарт зачастую лишь определяет возвращаемые маркеры ошибок, а выставление errno зависит от конкретной реализации55.
В качестве маркеров ошибок обычно выступают следующие значения
Практика возвращения маркера ошибки, вместо кода ошибки, хоть и экономит количество передаваемых в функции аргументов, но в ряде случаев приводит к ошибкам в результате человеческого фактора. Например, программистами часто игнорируется проверка результата типа ssize_t, а сам результат используется дальше в вычислениях, что приводит к трудно уловимым ошибкам, если возвращается -158.
Ещё сильнее способствует появлению ошибок возврат в качестве маркера ошибки корректного значения58, что также вынуждает программиста делать больше проверок, а соответственно и писать больше однотипного повторяющегося кода. Такой подход практикуется в потоковых функциях, работающих с объектами типа FILE маркером ошибки является значение EOF, одновременно являясь и маркером конца файла. Поэтому по EOF иногда приходится проверять поток символов как на конец файла с помощью функции feof, так и наличие ошибки с помощью ferror59. При этом некоторые функции, которые могут вернуть EOF по стандарту не обязаны выставлять errno55.
Отсутствие единой практики обработки ошибок в стандартной библиотеке приводит к появлению собственных способов обработки ошибок и комбинированию часто используемых способов в сторонних проектах. Например, в проекте systemd совместили идеи возвращения кода ошибки и числа -1 в качестве маркера возвращается отрицательный код ошибки60. А в библиотеке GLib ввели в практику возвращение в качестве маркера ошибки значение булева типа, в то время как подробная информация об ошибке помещается в специальную структуру, указатель на которую возвращается через последний аргумент функции61. Схожее решение использует проект Enlightenment, в котором в качестве маркера тоже используется булев тип, но информация об ошибке возвращается по аналогии со стандартной библиотекой через отдельную функцию62, которую необходимо проверять, если был возвращён маркер.
Альтернативой маркерам ошибок является возвращение кода ошибки напрямую, а результата работы функции через аргументы по указателю. По такому пути пошли разработчики стандарта POSIX, в функциях которого принято возвращать код ошибки в виде числа типа int. Однако возвращение значения типа int явно не даёт понять, что возвращается именно код ошибки, а не маркер, что может вести к ошибкам, если результат таких функций будет проверяться на значение -1. В расширении K стандарта C11 представлен специальный тип errno_t для хранения кода ошибки. Существуют рекомендации использовать именно этот тип в пользовательском коде для возвращения ошибок, а если он не предоставлен стандартной библиотекой, то объявлять его самостоятельно63
Такой подход, помимо повышения качества кода, избавляет от необходимости использования errno, что позволяет делать библиотеки с реентерабельными функциями без необходимости подключения дополнительных библиотек, таких как POSIX Threads для правильного определения errno.
Более сложной является обработка ошибок в математических функциях из заголовочного файла math.h, в которых могут возникать 3 типа ошибок64
Предотвращение двух из трёх типов ошибок сводится к проверкам входных данных на область допустимых значений. Однако предсказать выход результата за пределы типа крайне сложно. Поэтому стандартом языка предусмотрена возможность анализа математических функций на ошибки. Начиная со стандарта C99 такой анализ возможен двумя способами, в зависимости от значения, хранимого в макросе math_errhandling.
При этом способ обработки ошибок определяется конкретной реализацией стандартной библиотеки и может отсутствовать совсем. Поэтому в платформонезависимом коде может потребоваться проверка результата сразу двумя способами, в зависимости от значения math_errhandling64.
Как правило возникновение ошибки требует завершения работы функции с возвращением индикатора ошибки. Если в функции ошибка может возникнуть в разных её частях, требуется освобождать ресурсы, выделенные в ходе её работы, чтобы предотвратить утечки. Хорошей практикой освобождения ресурсов считается их чистка в обратном порядке перед возвратом из функции, а в случае ошибок освобождение в обратном порядке после основного return. В отдельные части такого освобождения можно сделать переход с помощью оператора goto65. Подобный подход позволяет вынести не связанные с реализуемым алгоритмом участки кода за пределы самого алгоритма, повышая читабельность кода, и схож с работой оператора defer из языка программирования Go. Пример освобождения ресурсов приведён ниже, в разделе примеров.
Для освобождения ресурсов в рамках программы предусмотрен механизм обработчиков выхода из программы. Обработчики назначаются с помощью функции atexit и исполняются как по завершении функции main через оператор return, так и по исполнению функции exit. При этом обработчики не исполняются по функциям abort и _Exit66.
В качестве примера освобождения ресурсов по завершении программы можно привести освобождение памяти, выделенной под глобальные переменные. Несмотря на то, что память так или иначе освобождается по завершении работы программы операционной системой, и допускается не освобождать ту память, которая требуется на протяжении всей работы программы67, явное освобождение предпочтительнее, так как облегчает поиск утечек памяти сторонними средствами и уменьшает шанс на возникновение утечек памяти в результате ошибки
Недостатком данного подхода является то, что формат назначаемых обработчиков не предусматривает передачу произвольных данных в функцию, что позволяет создавать обработчики только для глобальных переменных.
Минимальная программа на Си, не требующая обработки аргументов, имеет следующий вид
Допускается не писать оператор return у функции main. В таком случае, согласно стандарту, функция main возвращает 0, исполняя все обработчики, назначенные на функцию exit. При этом подразумевается, что программа успешно завершилась14.
Программа Hello, world! приведена ещё в первом издании книги Язык программирования Си Кернигана и Ритчи
Эта программа печатает сообщение Hello, world! на стандартном устройстве вывода.
Многие функции языка Си могут вернуть ошибку, не выполнив требуемых от них действий. Ошибки требуется проверять и правильно на них реагировать, в том числе часто требуется пробрасывать ошибку из функции на уровень выше для анализа. При этом функцию, в которой произошла ошибка, можно делать реентерабельной, в таком случае по ошибке функция не должна изменять входные или выходные данные, что позволяет безопасно перезапускать её после исправления ошибочной ситуации.
В примере реализована функция чтения файла на языке Си, однако она требует соответствия функций fopen и fread стандарту POSIX, иначе они могут не выставлять переменную errno, что сильно усложняет как отладку, так и написание универсального и безопасного кода. На платформах, не соответствующих POSIX, поведение данной программы будет неопределённым в случае ошибки. Освобождение ресурсов по ошибкам находится за основным алгоритмом для повышения читабельности, а переход осуществляется с помощью goto65.
Некоторые компиляторы идут в комплекте с компиляторами других языков программирования включая C или являются составной частью среды разработки программного обеспечения.
Несмотря на то, что стандартная библиотека входит в стандарт языка, её реализации идут отдельно от компиляторов. Поэтому стандарты языка, поддерживаемые компилятором и библиотекой, могут различаться.
Поскольку язык Си не предоставляет средств для безопасного написания кода, а многие элементы языка способствуют появлению ошибок, написание качественного и отказоустойчивого кода можно гарантировать только с помощью создания автоматизированных тестов. Для упрощения такого тестирования существуют различные реализации сторонних библиотек модульного тестирования.
Существует также много других систем для тестирования кода на Си, таких как AceUnit, GNU Autounit, cUnit и других, но они либо не осуществляют тестирование в изолированных окружениях, либо предоставляют мало возможностей76, либо перестали развиваться.
По проявлениям ошибок не всегда можно сделать однозначный вывод о проблемном месте в коде, однако локализовать проблему часто помогают различные средства отладки.
Иногда, в целях переноса тех или иных библиотек, функций и инструментов, написанных на Си, в иную среду, требуется компиляция Си-кода на язык более высокого уровня или в код виртуальной машины, предназначенной для такого языка. Следующие проекты предназначены для этих целей
Также для Си существуют и другие инструменты, облегчающие и дополняющие разработку, включая статические анализаторы и утилиты для форматирования кода. Статический анализ помогает выявлять потенциальные ошибки и уязвимости. А автоматическое форматирование кода упрощает организацию совместной работы в системах контроля версий, минимизируя конфликты из-за стилевых правок.
Язык широко применяется при разработке операционных систем, на уровне прикладного интерфейса операционных систем, во встраиваемых системах, а также для создания высокопроизводительного или критического в плане обработки ошибок кода. Одной из причин широкого распространения для программирования на низком уровне является возможность писать кроссплатформенный код, который может по-разному обрабатываться на разном оборудовании и на разных операционных системах.
Возможность писать высокопроизводительный код обеспечивается за счёт полной свободы действий программиста и отсутствия строгого контроля со стороны компилятора. Так, например, на языке Си написаны первые реализации языков Java, Python, Perl и PHP. При этом во многих программах наиболее требовательные к ресурсам части принято писать на языке Си. Ядро программы Mathematica85 написано на Си, а MATLAB, изначально написанный на Фортране, был переписан на Си в 1984 году86.
Также Си иногда используется как промежуточный язык при компиляции более высокоуровневых языков. Например, по такому принципу работали первые реализации языков C, Objective-C и Go, код, написанный на этих языках, транслировался в промежуточное представление на языке Си. Современными языками, работающими по такому же принципу, являются язык Vala и Nim.
Ещё одной областью применения языка Си являются приложения реального времени, которые требовательны по части отзывчивости кода и времени его исполнения. Такие приложения должны начинать исполнение действий в жёстко ограниченных временных рамках, а сами действия должны укладываться в определённый временной промежуток. В частности, стандарт POSIX.1 предоставляет набор функций и возможностей для создания приложений реального времени878889, однако поддержка жёсткого реального времени должна быть также реализована и со стороны операционной системы90.
Язык Си был и остаётся одним из самых распространённых языков программирования в течение более чем сорока лет. Естественно, что его влияние можно проследить в той или иной мере во многих более поздних языках. Тем не менее среди языков, достигших определённого распространения, прямых потомков у Си немного.
Часть языков-потомков надстраивает Си дополнительными средствами и механизмами, добавляющими поддержку новых парадигм программирования ООП, функциональное программирование, обобщённое программирование и пр.. К таким языкам относятся, прежде всего, C и Objective-C, а опосредованно их потомки Swift и D. Также известны попытки улучшить Си, исправив его наиболее существенные недостатки, но сохранив его привлекательные черты. Среди них можно упомянуть исследовательский язык Cyclone и его потомок Rust. Иногда оба направления развития объединяются в одном языке, примером может служить Go.
Отдельно необходимо упомянуть о целой группе языков, которые в большей или меньшей мере унаследовали базовый синтаксис Си использование фигурных скобок в качестве ограничителей блоков кода, описание переменных, характерные формы операторов for, while, if, switch с параметрами в скобках, комбинированные операции , --, , - и другие, из-за чего программы на этих языках имеют характерный внешний вид, ассоциирующийся именно с Си. Это такие языки как Java, JavaScript, PHP, Perl, AWK, C. В действительности структура и семантика этих языков сильно отличается от Си, и обычно они предназначены для тех сфер применения, где оригинальный Си никогда не использовался.
Язык программирования C был создан из Си и унаследовал его синтаксис, дополнив его новыми конструкциями в духе языков Simula-67, Smalltalk, Modula-2, Ada, Mesa и Clu92. Основными дополнениями стали поддержка ООП описание классов, множественное наследование, полиморфизм, основанный на виртуальных функциях и обобщённого программирования механизм шаблонов. Но помимо этого в язык внесено множество самых различных дополнений. На данный момент C является одним из наиболее распространённых языков программирования в мире и позиционируется как язык общего назначения с уклоном в системное программирование93.
Изначально C сохранял совместимость с Си, которая была заявлена как одно из преимуществ нового языка. Первые реализации C просто переводили новые конструкции в чистый Си, после чего код обрабатывался обычным Си-компилятором. Для сохранения совместимости создатели C отказались от исключения из него некоторых часто критикуемых особенностей Си, вместо этого создав новые, параллельные механизмы, которые рекомендуется применять при разработке нового кода на C шаблоны вместо макроопределений, явное приведение типов вместо автоматического, контейнеры стандартной библиотеки вместо ручного динамического выделения памяти и так далее. Однако в дальнейшем языки развивались независимо, и сейчас Си и C последних выпущенных стандартов являются лишь частично совместимыми не гарантируется успешная компиляция программы на Си компилятором C, а в случае успеха нет гарантии, что откомпилированная программа будет работать правильно. Особенно неприятны некоторые тонкие семантические различия, которые могут приводить к разному поведению одного и того же кода, синтаксически корректного для обоих языков. Например, символьные константы символы, заключённые в одинарные кавычки имеют тип int в Си и тип char в C, так что объём памяти, занимаемый такими константами, в разных языках различается.94 Если программа чувствительна к размеру символьной константы, она будет работать по-разному, будучи откомпилирована трансляторами Си и C.
Подобные различия затрудняют написание программ и библиотек, которые могли бы нормально компилироваться и работать одинаково и в Си и в C, что, конечно, запутывает тех, кто программирует на обоих языках. Среди разработчиков и пользователей как Си, так и C есть сторонники максимального сокращения различий между языками, что объективно принесло бы ощутимую пользу. Существует, однако, и противоположная точка зрения, согласно которой совместимость не особенно важна, хоть и полезна, и усилия по уменьшению несовместимости не должны препятствовать улучшению каждого языка в отдельности.
Ещё одним вариантом расширения Си объектными средствами является язык Objective-C, созданный в 1983 году. Объектная подсистема была заимствована из Smalltalk, причём все элементы, связанные с этой подсистемой, реализованы в собственном синтаксисе, достаточно резко отличающемся от синтаксиса Си вплоть до того, что в описании классов синтаксис объявления полей противоположен синтаксису описания переменных в Си сначала пишется имя поля, затем его тип. В отличие от C, Objective-C является надмножеством классического Си, то есть сохраняет совместимость с исходным языком правильная программа на Си является правильной программой на Objective-C. Другим существенным отличием от идеологии C является то, что Objective-C реализует взаимодействие объектов путём обмена полноценными сообщениями, тогда как в C реализована концепция отправка сообщения как вызов метода. Полноценная обработка сообщений является значительно более гибкой, к тому же она естественным образом сочетается с параллельными вычислениями. Objective-C, а также его прямой потомок Swift являются одними из самых популярных на платформах, поддерживаемых Apple.
Язык Си уникален с той точки зрения, что именно он стал первым языком высокого уровня, всерьёз потеснившим ассемблер в разработке системного программного обеспечения. Он остаётся языком, реализованным на максимальном количестве аппаратных платформ, и одним из самых популярных языков программирования, особенно в мире свободного программного обеспечения95. Тем не менее язык имеет множество недостатков, он с момента появления подвергается критике многих специалистов.
Язык весьма сложен и наполнен опасными элементами, которые очень легко использовать неправильно. Своей структурой и правилами он никак не поддерживает программирование, нацеленное на создание надёжного и удобного в сопровождении программного кода, напротив, рождённый в эпоху прямого программирования под различные процессоры, язык способствует написанию небезопасного и запутанного кода95. Многие профессиональные программисты склонны считать, что язык Си мощный инструмент для создания элегантных программ, но в то же время с его помощью можно создавать крайне некачественные решения9697.
Из-за различных допущений в языке программы могут компилироваться со множественными ошибками, что часто приводит к непредсказуемому поведению программы. Современные компиляторы предоставляют опции для статического анализа кода9899, но даже они не способны выявить все возможные ошибки. Результатом неграмотного программирования на Си могут стать уязвимости программного обеспечения, что может сказаться на безопасности его использования.
У Си высокий порог вхождения95. Спецификация его занимает более 500 страниц текста, которые необходимо изучить полностью, так как для создания безошибочного и качественного кода приходится учитывать многие неочевидные особенности языка. Например, автоматическое приведение операндов целочисленных выражений к типу int может давать трудно предсказуемые результаты при использовании бинарных операторов18
Недостаточное понимание подобных нюансов может приводить к появлению многочисленных ошибок и уязвимостей. Ещё одним фактором, увеличивающим сложность освоения Си, является отсутствие обратной связи от компилятора язык даёт программисту полную свободу действий и позволяет компилировать программы с явными логическими ошибками. Всё это затрудняет использование Си в обучении в качестве первого языка программирования95
Наконец, за более чем 40 лет существования язык успел несколько устареть, и в нём достаточно проблематично использовать многие современные приёмы и парадигмы программирования.
В синтаксисе Си нет модулей и механизмов их взаимодействия. Файлы исходного кода компилируются раздельно и должны включать прототипы импортируемых из других файлов переменных, функций и типов данных. Для этого используется включение заголовочных файлов через макроподстановку include. В случае нарушения соответствия между файлами кода и заголовочными файлами могут возникать как ошибки этапа компоновки, так и всевозможные ошибки времени исполнения от порчи стека и кучи до ошибок сегментирования. Поскольку директива include лишь подставляет текст одного файла в другой, включение большого количества заголовочных файлов приводит к тому, что многократно возрастает фактический объём кода, попадающего на компиляцию, что является причиной относительно низкой скорости работы компиляторов языка Си. Необходимость согласования описаний в основном модуле и заголовочных файлах затрудняет сопровождение программы.
Стандарт языка даёт программисту большую свободу действий и тем самым высокие шансы на допущение ошибок. Многое из того, что чаще всего нельзя делать, дозволено языком, и компилятор в лучшем случае выдаёт предупреждения. Хотя современные компиляторы позволяют переводить все предупреждения в класс ошибок, эта возможность используется редко, гораздо чаще предупреждения игнорируются, если программа работает удовлетворительно.
Так, например, до стандарта C99 вызов функции malloc без подключения заголовочного файла stdlib.h мог привести к порче стека, поскольку в отсутствие прототипа функция вызывалась как возвращающая тип int, тогда как фактически она возвращала тип void ошибка возникала, когда размеры типов на целевой платформе различались. Но даже при этом выдавалось всего лишь предупреждение.
Автоматически и динамически создаваемые объекты по умолчанию не инициализируются и после создания содержат значения, оставшиеся в памяти от ранее находившихся там объектов. Такое значение полностью непредсказуемо, оно меняется от одной машины к другой, от запуска к запуску, от вызова функции к вызову. Если программа из-за случайного пропуска инициализации использует такое значение, то результат будет непредсказуемым и может проявиться не сразу. Современные компиляторы пытаются диагностировать эту проблему статическим анализом исходного кода, хотя в общем случае статическим анализом данную проблему решить крайне сложно. Для выявления данных проблем на этапе тестирования в ходе исполнения программы могут использоваться дополнительные инструменты Valgrind и MemorySanitizer100.
Источником опасных ситуаций служит совместимость указателей с числовыми типами и возможность использования адресной арифметики без строгого контроля на этапах компиляции и исполнения. Это даёт возможность получить указатель на любой объект, включая исполняемый код, и обратиться по этому указателю, если только механизм защиты памяти системы этому не воспрепятствует.
Неправильное использование указателей может порождать неопределённое поведение программы и приводить к серьёзным последствиям. К примеру, указатель может быть неинициализированным или, в результате неверных арифметических операций, указывать в произвольное место памяти. На одних платформах работа с таким указателем может вызвать принудительную остановку программы, на других это может привести к порче произвольных данных в памяти последняя ошибка опасна тем, что её последствия непредсказуемы и могут проявиться в произвольный момент времени, в том числе намного позже момента собственно ошибочного действия.
Доступ к массивам в Си также реализован посредством адресной арифметики и не предполагает средств проверки корректности обращения к элементам массива по индексу. Например, выражения ai и ia идентичны и просто транслируются к виду a i, а проверка на выход за границы массива не проводится. Обращение по индексу, превышающему верхнюю границу массива, приводит к обращению к данным, размещённым в памяти после массива, что называют переполнением буфера. Когда подобное обращение происходит ошибочно, оно может привести к непредсказуемому поведению программы33. Нередко данная особенность используется в эксплоитах, используемых для нелегального доступа к памяти другого приложения или памяти ядра операционной системы.
Системные функции для работы с динамически выделяемой памятью не обеспечивают контроля за правильностью и своевременностью её выделения и освобождения, соблюдение правильного порядка работы с динамической памятью полностью возлагается на программиста. Его ошибки, соответственно, могут приводить к обращению по некорректным адресам, к преждевременному освобождению либо к утечке памяти последнее возможно, например, если разработчик забыл вызвать free или вызывающую free функцию, когда это требовалось101.
Одной из частых ошибок является отсутствие проверок результата работы функций выделения памяти malloc, calloc и прочие на NULL, в то время как память может не выделиться, если её не хватает, или если был запрошен слишком большой объём, например, из-за приведения числа -1 , полученного в результате каких-либо ошибочных математических операций, к беззнаковому типу size_t, с последующими операциями над ним. Ещё одной проблемой системных функций работы с памятью является неспецифицированное поведение при запросе выделения блока нулевого размера функции могут вернуть как NULL, так и действительное значение указателя, в зависимости от конкретной реализации102.
Некоторые конкретные реализации и сторонние библиотеки предоставляют такие средства, как подсчёт ссылок и слабые ссылки103, умные указатели104, а также ограниченные формы сборки мусора105, но все эти средства не являются стандартными, что, естественно, ограничивает их применение.
Для языка стандартными являются нуль-терминированные строки, соответственно все стандартные функции работают именно с ними. Это решение приводит к значительной потере эффективности за счёт малозначительной экономии памяти по сравнению с явным хранением размера вычисление длины строки функция strlen требует обхода в цикле всей строки от начала до конца, копирование строк также сложно оптимизировать из-за наличия терминирующего нуля22. Из-за необходимости добавлять к данным строки терминирующий нуль становится невозможным эффективное получение подстрок в виде срезов и работа с ними как с обычными строками выделение частей строк и манипуляции с ними обычно требуют ручного выделения и освобождения памяти, что дополнительно повышает вероятность ошибки.
Нуль-терминированные строки являются частым источником ошибок106. Даже стандартные функции обычно не выполняют проверки на размер целевого буфера106 и могут не добавлять в конце строки нулевой символ107, не говоря уже о том, что он может быть не добавлен или затёрт из-за ошибки программиста.108.
Поддерживая функции с переменным числом аргументов, Си не содержит ни средств определения числа и типов фактических параметров, переданных такой функции, ни механизма безопасного доступа к ним109. Информирование функции о составе фактических параметров лежит на программисте, а для доступа к их значениям необходимо отсчитать правильное количество байтов от адреса последнего фиксированного параметра в стеке либо вручную, либо пользуясь набором макросов va_arg из заголовочного файла stdarg.h. При этом необходимо учитывать работу механизма автоматического неявного повышения типов при вызове функций110, согласно которому целочисленные типы аргументов размером менее int приводятся к int или unsigned int, а float приводится к double. Ошибка в вызове или в работе с параметрами внутри функции проявится только во время исполнения программы, приводя к непредсказуемым последствиям, от чтения неверных данных до порчи стека.
При этом стандартным средством форматированного ввода-вывода являются именно функции с переменным числом параметров printf, scanf и другие, не способные проверить соответствие списка аргументов строке формата. Многие современные компиляторы проводят такую проверку для каждого их вызова, генерируя предупреждения при обнаружении несоответствия, однако в общем случае подобная проверка невозможна, так как каждая функция с переменным числом аргументов обрабатывает этот список по-своему. Невозможно статически проконтролировать даже все вызовы функции printf, поскольку строка формата может создаваться в программе динамически.
Синтаксис Си не включает специального механизма обработки ошибок. Стандартная библиотека поддерживает лишь простейшие средства переменная в случае POSIX макрос errno из заголовочного файла errno.h для установки кода последней ошибки и функции для получения сообщений об ошибках согласно кодам. Такой подход приводит к необходимости писать большой объём повторяющегося кода, смешивая основной алгоритм с обработкой ошибок, к тому же он не является потокобезопасным. Причём даже в этом механизме нет единого порядка
В стандартной библиотеке коды errno обозначаются через макроопределения и могут иметь одинаковые значения, что не даёт возможности анализировать коды ошибок через оператор switch. В языке нет специального типа данных для флагов и кодов ошибок, они передаются как значения типа int. Отдельный тип errno_t для хранения кода ошибки появился лишь в расширении K стандарта C11 и может не поддерживаться компиляторами63.
Недостатки Си давно и хорошо известны, и с момента появления языка предпринималось множество попыток повысить качество и безопасность кода на Си, не принося в жертву его возможности.
Практически все современные компиляторы Си позволяют проводить ограниченный статический анализ кода с выдачей предупреждений о потенциальных ошибках. Также поддерживаются опции встраивания в код проверок выхода за пределы массива, разрушения стека, выхода за пределы динамической памяти, чтения неинициализированных переменных, возможностей неопределённого поведения и т. п. Однако дополнительные проверки могут сказаться на производительности итогового приложения, поэтому чаще всего их применяют только на этапе отладки.

Subsets and Splits

No community queries yet

The top public SQL queries from the community will appear here once available.