嵌入式C语言自我修养《数据存储与指针》学习笔记

目录

 一、数据类型和存储

 1.大端模式和小端模式

 2.有符号数和无符号数

 二、数据对齐

1.为什么要数据对齐

 2.结构体对齐

 3.联合体对齐

三、数据的可移植性

四、 Linux内核中的size_t类型

 五、typedef的使用

1. typedef的基本用法

 2.使用typedef的优势

3. typedef的作用域

 六.常量和变量

 1.变量的本质

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程序是什么？程序=数据结构+算法。我们写程序为了什么？为了解决现实中的一些问题，尤其是一些需要大量重复计算的问题。ANSI C标准为我们提供的32个关键字里，除了控制程序结构的一些关键字，绝大部分都与数据类型和存储相关，如表7-1所示。

        C99/C11标准新增的关键字，也大都与数据类型和存储相关，如表7-2所示。

 一、数据类型和存储

        类型，是一组数值及对该组数值进行各种操作的集合。同一种类型的数据，在不同的处理器平台下，存储方式可能不一样。不同类型的数据，在同一个处理器平台下，存储方式和运算规则也可能不一样。

 1.大端模式和小端模式

        在计算机中，位（bit）是最小的存储单位，在一个DDR SDRAM内存电路中，通常使用一个电容器来表示：充电时高电位表示1，放电时低电位表示0。8个bit组成一字节（Byte），字节是计算机最基本的存储单位，也是最小的寻址单元，计算机通常以字节为单位进行寻址。在一个32位的计算机系统中，通常4字节组成一个字（Word），字是软件开发者常用的存储单位。

        我们使用C语言提供的int关键字，可以定义一个整型变量。

int i = 0x12345678

        编译器根据变量i的类型，在内存中分配4字节大小的存储空间来存储i变量的值0x12345678。一个数据在内存中有2种存储方式：高地址存储高字节数据，低地址存储低字节数据；或者高地址存储低字节数据，而低地址则存储高字节数据。不同字节的数据在内存中的存储顺序被称为字节序。根据字节序的不同，我们一般将存储模式分为大端模式和小端模式。

        不同架构的处理器，存储模式一般也不同。ARM、X86、DSP一般都采用小端模式，而IBM、Sun、PowerPC架构的处理器一般都采用大端模式。判断大小端示例：

#include 
 
int main()
{
    int a = 0x11223344;
    char b = a;
    if(b = 0x44)
    {
        printf("littel duan\n");
    }
    else
    {
        printf("da duan\n");
    }
    return 0;
}

        在数据存储模式中，除了字节序，还有位序的概念。位序指在一字节的存储中，各个比特位的存储顺序。以十六进制数据0x78=01111000(B)为例，其在内存中可能有2种存储方式。

        一般情况下字节序和位序是一一对应的。小端模式下，低端地址存储低字节数据，在一字节中，bit0地址也用来存储这个字节的bit0位。大端模式则相反，bit0用来存储一字节的高比特位。

        为什么不同架构的处理器在存储模式上会有大小端之分呢？

         一般来讲，小端模式低地址存储低字节数据，比较符合人类的思维习惯；而大端模式则更适合计算机的处理习惯：不需要考虑地址和数据的对应关系，以字节为单位，把数据从左到右，按照由低到高的地址顺序直接读写即可。大端模式一般用在网络字节序、各种编解码中。

 2.有符号数和无符号数

        C语言为了能表示负数，引入了有符号数和无符号数的概念，在声明数据类型时分别使用关键字signed和unsigned修饰。我们定义的变量如果没有使用signed或unsigned显式修饰，默认是signed型的有符号数。

        一个字符型的有符号数，最高的位bit7是符号位：0表示正数，1表示负数，其余的比特位用来表示大小。而一个字符型的无符号数，所有的比特位都用来表示数的大小。因此有符号数和无符号数能表示的数值范围是不一样的，对于一个字符型数据而言，有符号数能表示的数值范围为[-128，127]，而无符号数的数值范围为[0，255]。我们使用printf()函数打印数据时，可以使用%d和%u格式符分别格式化打印有符号数和无符号数。 

 二、数据对齐

1.为什么要数据对齐

        一个程序在编译过程中，编译器在给我们定义的变量分配存储空间时，并不是随机分配的，它会根据不同数据类型的对齐原则给变量分配合适的地址和大小。所谓数据对齐原则，就是C语言中各种基本数据类型要按照自然边界对齐：一个char型的变量按1字节对齐，一个short型的整型变量按sizeof(short)字节对齐，一个int型的整型变量要按sizeof(int)字节对齐。每种数据类型的对齐字节数一般也被称为对齐模数。不同数据类型的对齐模数如图7-3所示。

 示例代码：

#include 
 
int main(void)
{
    char a = 1;
    short b = 2;
    int c = 3;
    printf("&a = %p\n",&a);
    printf("&b = %p\n",&b);
    printf("&c = %p\n",&c);
    return 0;
}

程序运行结果：

        通过打印结果可以看到，不同类型的变量在内存中的地址对齐是不一样的，每种变量都按照各自的对齐模数对齐。

        每个变量在内存中为什么非要地址对齐呢？

        这主要是由CPU硬件决定的。不同处理器平台对存储空间的管理不同，为了简化CPU电路设计，有些CPU在设计时简化了地址访问，只支持边界对齐的地址访问，因此编译器也会根据处理器平台的不同，选择合适的地址对齐方式，以保证CPU能正常访问这些存储空间。在图7-4中，我们定义了一个int型变量，如果编译器把它分配到了内存中2字节对齐的地址空间上，那么它的存储地址就没有自然对齐，CPU在读写这个数据时，本来一个指令周期就可以搞定的事情，现在可能就需要花2个指令周期了。先从零地址开始，读取4字节，保留高2字节的数据；再从偏移为4的地址开始，读取4字节，保留低2字节的数据；最后将两部分数据合并，就是我们实际要读取的int型变量的值了。

 2.结构体对齐

        C语言的基本数据类型不仅要按照自然边界对齐，复合数据类型（如结构体、联合体等）也要按照各自的对齐原则对齐。以结构体为例，当我们定义一个结构体变量时，编译器会按照下面的原则在内存中给这个变量分配合适的存储空间。

● 结构体内各成员按照各自数据类型的对齐模数对齐。
● 结构体整体对齐方式：按照最大成员的size或其size的整数倍对齐。

 示例如下：

#include 
struct student
{
    char sex;
    int num;
    short age;
};
 
int main(void)
{
    struct student stu;
    printf("&stu.sex = %p\n",&stu.sex);
    printf("&stu.num = %p\n",&stu.num);
    printf("&stu.age = %p\n",&stu.age);
    printf("struct size: %d\n",sizeof(struct student));
    return 0;
}

运行结果如下：

 结构体成员调整位置结果如下：

        因为结构体内各个成员都要按照自身数据类型的对齐模数对齐，所以在结构体内部难免会有“空洞”产生，导致结构体的大小也不一样。结构体之所以要对齐，根本原因就是为了加快CPU访问内存的速度，在具体实现上，一般都采用每种数据类型的默认对齐模数sizeof(type)对齐。

        不同的编译器有时候可能会采取不同的对齐标准，以GCC为例，GCC默认的最大对齐模数为4（我的gcc是8，好像是因为x64位，为了提高系统运行性能），当一种数据类型的大小超过4字节时会仍然按照4字节对齐，这是GCC和VC++6.0、Visual Studio、arm-linux-gcc等编译器不一样的地方。

 代码示例如下：

//#pragma pack (4)
#include 
 
struct student
{
    char sex;
    double num;
};
 
int main(void)
{
    struct student stu;
    printf("&stu.sex = %p\n",&stu.sex);
    printf("&stu.num = %p\n",&stu.num);
    printf("struct size: %d\n",sizeof(struct student));
    printf("num size: %d\n",sizeof(stu.num));
    return 0;
}

运行结果如下：

加上第一行代码#pragma pack (4)，运行结果如下：

        如果在结构体里内嵌其他结构体，那么结构体作为其中一个成员也要按照自身类型的对齐模数对齐。结构体自身的对齐模数是该结构体中最大成员的size，或者其size的整数倍。

 3.联合体对齐

除了结构体，联合体也有自己的对齐原则。
● 联合体的整体大小：最大成员对齐模数或对齐模数的整数倍。
● 联合体的对齐原则：按照最大成员的对齐模数对齐。

 示例如下：

//#pragma pack (4)
#include 
 
union u
{
    char sex;
    double num;
    int age;
    char a[11];
};
 
int main(void)
{
    union u stu;
    printf("&stu.sex = %p\n", &stu.sex);
    printf("&stu.num = %p\n", &stu.num);
    printf("&stu.age = %p\n", &stu.age);
    printf("&stu.a = %p\n", stu.a);
    printf("union size: %d\n", sizeof(union u));
    return 0;
}

运行结果如下：

 

当开头加上#pragma pack (4) ,设置最大对齐模数为4时，运行结果如下：

三、数据的可移植性

        什么是数据的可移植性呢？我们可以先从一个简单的程序开始，从一个sizeof关键字开始我们的思考。

#include 
 
int main(void)
{
    printf("%d\n",sizeof(int));
    return 0;
}

        我们可以使用sizeof关键字去查看int类型的数据在内存中的大小，在不同的编译环境下编译上面的程序并运行，你会发现运行结果可能不一样。在Turbo C环境下编译运行，int型数据大小可能是2字节；使用VC++6.0或GCC编译，运行结果可能是4字节；如果使用64位编译器在64位处理器上编译运行，运行结果则可能是8字节。在一个跨平台的程序中，有时候我们会需要一个固定大小的存储空间，或者一个固定长度的数据类型。如果使用int型来表示，那么当程序在不同的编译环境下运行时，int型数据的大小就可能发生改变，也就是说int型数据不具备可移植性。

        那么如何解决这个问题呢？我们可以使用C语言提供的typedef关键字来定义一些固定大小的数据类型。

        我们可以将使用typedef关键字定义的数据类型封装在一个头文件data_type.h中，在实际编程中，当你需要使用一个32位固定大小的无符号数据时，先＃include这个data_type.h头文件，然后就可以直接使用u32来定义变量了。当程序在另一个平台上运行，unsigned int的大小变成了2字节时，也没关系，我们可以修改data_type.h，将u32使用unsigned long重新定义一遍即可。

//data_type.h
//typedef unsigned int u32;
typedef unsigned long u32;
 
//main.c
#include 
#include "data_type.h"
 
int main(void)
{
    u32 s;
    printf("size:%d\n",sizeof(s));
    return 0;
}

        long的运行结果是8，int的运行结果是4。

        通过修改data_type.h对u32类型重新定义后，u32的长度还是32位，你的程序代码中所有使用u32的地方就不需要修改了，u32这个数据类型因此就具备了可移植性，可以在多个平台上运行。
        在C99标准定义的标准库中，新增加了stdint.h和intypes.h头文件，用来支持可移植的数据类型。stdint.h头文件主要用来定义可移植的数据类型，我们在编程中可以直接使用。

#include 
#include 
 
int main(void)
{
    __int16_t s;
    int16_t s1;
    printf("size: %d\n",sizeof(s));
    printf("size: %d\n",sizeof(s1));
    return 0;
}

运行结果如下：

        现在的操作系统一般都支持多种CPU架构、多种处理器平台。操作系统为了实现跨平台运行，一般都会考虑数据的可移植性，如大小端存储模式、数据对齐、字长等。我们在编程时，可以把程序中与系统、平台相关的部分隔离封装在一个单独的头文件或配置文件中，整个程序的可移植部分和不可移植部分也就变得泾渭分明，更加方便后续的管理、维护和升级。

四、 Linux内核中的size_t类型

        Linux内核中定义了很多变量，使用了各种不同的数据类型，总的来说，可以分为3类。

● C语言基本数据类型：int、char、short。
● 长度确定的数据类型：long。
● 特定内核对象的数据类型：pid_t、size_t。 

        我们以内核中经常使用的size_t数据类型为例，带大家体验一下使用可移植数据的好处。数据类型size_t一般使用＃define宏定义，后面使用一个_t的后缀表示Linux内核中在某些地方特定使用的数据类型。

        size_t数据类型一般用在表示长度、大小等无关正负的场合，如数组索引、数据复制长度、大小等。在Linux内核源码中可以随处看到它的身影。 

        不仅在内核中，C标准库中定义的各种库函数也大量使用这种数据类型。

        使用size_t不仅仅是考虑到数据类型的可移植性，size_t的另一个优点是其大小并非是固定的，而是用来表征针对某平台的最大长度。当我们使用无符号型的size_t用来表示一个地址或者数据复制的长度时，根本不用担心它表示的数值范围够不够用。

 五、typedef的使用

        typedef是C语言的一个关键字，用来为某个类型起别名。大家在阅读代码的过程中，会经常见到typedef与结构体、联合体、枚举、函数指针声明结合使用。

1. typedef的基本用法

        以结构体类型的声明和使用为例，C语言提供了struct关键字来定义一个结构体类型。

struct student
{
    char name[20];
    int age;
    float score;
};
struct student stu = {"wit", 20, 99};

        在C语言中定义一个结构体变量，我们通常的写法如下。

        struct 结构类型 变量名;

        前面必须有一个struct关键字做前缀，编译器才会理解你要定义的对象是一个结构体变量。而在C++语言中，则不需要这么做，可以直接使用。

        结构类型 变量名;

struct student
{
    char name[20];
    int age;
    float score;
};
int main(void)
{
    student stu = {"wit", 20, 99};
    return 0;
}

        我们使用typedef关键字，可以给student声明一个别名student_t和一个结构体指针类型student_ptr，然后可以直接使用student_t类型去定义一个结构体变量，不用再写struct，这样会显得代码更加简捷。

 示例代码如下：

#include 
 
typedef struct student
{
    char name[20];
    int age;
    float score;
}student_t, *student_ptr;
 
int main(void)
{
    student_t stu = {"wit", 20, 99};
    student_t *p1 = &stu;
    student_ptr p2 = &stu;
    printf("name: %s\n",p1->name);
    printf("name: %s\n",p2->name);
    return 0;
}

运行结果如下：

        typedef除了与结构体结合使用，还可以与数组结合使用。定义一个数组，通常使用int array[10]；即可。我们也可以使用typedef先声明一个数组类型，然后使用这个类型去定义一个数组。

 

        在上面的程序中，我们声明了一个数组类型array_t，然后使用该类型定义一个数组array，这个array效果其实就相当于int array[10]。typedef还可以与指针结合使用。在下面的demo程序中，PCHAR的类型是char*，我们使用PCHAR类型去定义一个变量str，其实就是一个char*类型的指针。

        typedef还可以和函数指针结合使用。定义一个函数指针，我们通常采用下面的形式。

int (*func)(int a, int b)

        我们同样可以使用typedef声明一个函数指针类型：func_t。

typedef int (*func_t)(int a, int b)
func_t fp; //定义一个函数指针变量

 代码示例如下：

#include 
 
typedef int (*func_t)(int a, int b);
int sum(int a, int b)
{
    return a + b; 
}
 
int main(void)
{
    func_t fp = sum;
    printf("%d\n",fp(1,2));
    return 0;
}

运行结果为：3

为了增加程序的可读性，我们经常在代码中看到下面的声明形式。

typedef int (func_t)(int a, int b);
func_t *fp = sum;

        函数都是有类型的，我们使用typedef为函数类型声明一个新名称func_t。这样声明的好处是，即使你没有看到func_t的定义，也能够清楚地知道fp是一个函数指针。

        在实际编程中，typedef还可以与枚举结合使用。枚举与typedef的结合使用方法和结构体类似：可以使用typedef为枚举类型color声明一个新名称color_t，然后使用这个类型就可以直接定义一个枚举变量。 

 2.使用typedef的优势

        不同的项目，有不同的代码风格，也有不同的代码“癖好”。代码看得多了，你就会发现：有的代码里宏用得多，有的代码里typedef用得多。 

         1.可以让代码更加清晰简捷

        如上面的程序代码所示，使用typedef，我们可以在定义一个结构体、联合、枚举变量时，省去关键字struct，让代码更加简捷。

        2.增加代码的可移植性 

        3.比宏定义更好用

        4.让复杂的指针声明更加简捷

3. typedef的作用域

        和宏的全局性相比，typedef作为一个存储类关键字，是有作用域的。使用typedef声明的类型和普通变量一样，都遵循作用域规则，包括代码块作用域、文件作用域等。

        宏定义在预处理阶段就已经替换完毕，是全局性的，只要保证引用它的地方在定义之后就可以了。而使用typedef声明的类型则和普通变量一样，都遵循作用域规则。上面代码的运行结果如下。

 六.常量和变量

 1.变量的本质

        在C语言中，不同类型的数据有不同的存储方式，在内存中所占的大小不同，地址对齐方式也不相同。我们可以使用不同的数据类型来定义变量，不同类型的变量在内存中的存储方式和大小也不相同。

        例如我们定义一个int型变量i，编译器会根据变量i的类型，在内存中分配4字节的存储空间；而对于定义的变量j，编译器也会根据变量j的类型，在内存中分配1字节的存储空间。从汇编语言的角度来看，汇编语言是没有数据类型的概念的，当我们使用DCB、DCD伪指令去为一个数据对象分配存储空间时，要考虑的主要是存储地址、存储大小和存储内容这3个基本要素，它和我们高级语言中的变量名、变量类型和变量值是一一对应的。变量与存储的对应关系如图7-5所示。

        当我们想通过变量名去读写内存时，必须要遵循C语言标准定义的语法规则，而不是随便引用，否则就会出现问题。在C语言中，一块可以存储数据的内存区域，一般被称为对象，而操作这片内存的表达式，即引用对象的表达式，我们称之为左值。左值可以改变对象，一般放在赋值语句的左边，如a=1；这条赋值语句，表达式a就是一个左值，放在了赋值运算符的左边。我们可以通过变量名a去修改这片内存，即通过左值去改变对象。与左值相对应的是右值，即非左值表达式，一般放在赋值运算符=的右边。

        我们常见的左值有变量、e[n]、e.name、p->name、*e等这些常见的表达式。需要注意的是，并不是所有的表达式都可以作为左值，如数组名、函数、枚举常量、函数调用等都不能作为左值，也不能通过它们去修改对象。如下面的程序代码。

 

        如果你想通过上面的语句为数组赋值，你会发现编译器报编译错误，因为数组名不是左值，不能放到赋值运算符的左边。

 

        有些引用对象的表达式既可以作为左值，也可以作为右值，如变量。一个变量作为左值时，通常表示对象的地址，我们对变量名的引用其实就是对该地址区域进行各种操作。一个变量名作为右值时，通常表示对象的内容，我们此时对变量的引用就相当于取该地址区域上的内容。

 

        在a=1；语句中，表达式a是一个左值，代表的是一个地址，这条语句的作用就是将数据1写到变量名a表征的这片内存中，这片内存又称为对象，即我们可以通过左值来改变的对象。在b=a；这条语句中，a是右值，代表的是对象的内容，即表达式a表征的这片内存地址上的内容，直接赋值给左值b。

        不同类型的变量有不同的存储方式、作用域和生命周期。在定义一个变量时，我们可以使用char、int、float、double等关键字来指定变量的类型，再加上short和long这两个整型限定符，基本上就确定了这个变量在内存中的存储空间的大小。有时候我们还可以使用一些变量修饰限定符来改变变量的存储方式，常用的修饰符有auto、register、static、extern、const、volatile、restrict、typedef等。这些修饰限定符往往会决定变量的存储位置、作用域或生命周期，所以一般也被称为存储类关键字。static关键字修饰一个局部变量，可以改变变量的存储方式，将变量的存储从栈中转移到数据段中，但不能改变变量的作用域，因为变量的作用域是由{}决定的。不同类型的变量在内存中的存储对应关系如图7-6所示。 

        全局变量一般存储在数据段中，使用extern关键字可以将一个全局变量的作用域扩展到另一个文件中，也可以使用static关键字将其作用域限定在本文件中。一个变量如果使用register修饰，意在告诉编译器这个变量将会被频繁地使用，如果有可能，可以将这个变量存储在CPU的寄存器中，以提高其读写效率。至于编译器会不会这样做，就要视具体情况而定了。在一个函数内定义的变量，如果没有使用其他存储类修饰符修饰，默认就是auto类型，即自动变量。自动变量存储于当前函数的栈帧内，函数中的每一个局部变量只有在函数运行时才会给其分配存储空间，在函数执行结束退出时自动释放，其生命周期只存在于函数运行期间，这也是我们称这些局部变量为自动变量的根本原因。对自动变量的读写操作不能像全局变量那样通过变量名引用，一般由栈指针SP和帧指针FP共同管理和维护。在一个函数内部定义的自动变量如果没有初始化，那么它的值将是随机的，这是因为在函数运行期间分配的存储单元地址是随机的，存储单元的数据也是随机的。如果我们没有注意到这些细节，未初始化而直接使用，就可能导致程序出现意想不到的错误。

        我们在程序中，定义变量的目的，就是方便对存储在内存中的数据进行读写，不是直接通过地址，而是通过变量名来访问内存。编译器根据我们定义的变量类型，会在内存中分配合适大小的存储空间和地址对齐。变量名的本质，其实就是一段内存存储空间的别名，通过变量名可以直接对这段内存进行读写。

2.常量存储

        对于C程序中定义的每一个变量，编译器都会根据变量的类型在内存中为它分配合适大小的存储空间：可以分配在数据段中，也可以分配在栈中。在一个C程序中，除了变量，还有很多常量和常量表达式，它们在内存中是如何存储的呢？

#include 
 
#define HELLO "world!\n"
char *p = "hello ubuntu!\n";
 
int main(void)
{
    char c_val = 'A';
    printf("hello %s",HELLO);
    printf("%s",p);
    printf("c_val = %c\n",c_val);
    return 0;
}

        在上面的程序中，我们使用宏HELLO定义了一个字符串，使用指针变量p指向一个常量字符串。除此之外，在printf() 函数中还有很多打印格式的字符串，编译器在编译程序时会把它们单独放在一个叫作.rodata的只读数据段中，我们可以使用objdump命令查看它们。