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C語言和指針的本質是什麼

2020年02月21日 編程語言 ⁄ 共 2429字 ⁄ 字型大小 評論關閉

  很多編程語言都以 「沒有指針」 作為自己的優勢來宣傳,然而,對於C語言,指針卻是與生俱來的。

  那麼,什麼是指針,為什麼大家都想避開指針。

  很簡單, 指針就是地址,當一個地址作為一個變數存在時,它就被叫做指針,該變數的類型,自然就是指針類型。

  指針的作用就是,給出一個指針,取出該指針指向地址處的值。為了理解本質,我們從計算機模型說起。

  宏觀看來,計算機可以分為兩類:

  存儲-執行計算機。

  這類機器典型的例子就是我們平時使用的計算機,有一個CPU,有一個內存,CPU僅包含運算邏輯,所有的指令和數據都在內存中,內存僅供存儲,不包含任何運算組件。

  現場編程計算機。

  這類機器的典型例子就是ASCI電路,FPGA這種。直接針對特定的需求構建邏輯電路,然而,由於存在笛卡爾積的問題,不太適合通用計算。

  我們看我們平時使用的存儲-執行模型的計算機工作模式:

  CPU在地址匯流排上發射一個地址到內存。

  內存把特定地址對應的數據返回到數據匯流排。

  看起來,通用計算機就是通過指針完成所有工作的。CPU沒有能力直接操作內存里的值,它必須做以下的操作以迂迴:

  從特定地址A0取出值V0。

  對V0進行加工運算生成V1。

  將V1存入特定地址A1。

  太初,人們就是按照以上的這麼個邏輯編程的,這就是彙編語言:

  mov -0x4c(%rbp),%ebx

  1

  然而,這樣太麻煩了,C語言隨著簡單通用的UNIX操作系統而生,下面的語句看起來更加方便:

  int a = 10;

  char *p = &a;

  *p = 13;

  C語言直接映射了CPU的工作方式,而且是用極其簡單的方式,這就是C語言的藝術。

  這就是C指針的背景。在那個年代,人們還沒有渴望計算機幫助完成更複雜的業務邏輯,人們只是希望用一種更加簡單的方式抽象出計算機的行為,最終的結晶,就是C語言。

  於是,我們說,C語言的精華就是指針,指針是C語言的一切。我們可以沒有if-else語言,我們可以沒有switch-case語句,我們可以不要while,我們不要for,但我們必須有指針。

  是的,我們可以用指針函數的狀態矩陣代替if-else之類:

  int (*routine)[...]();

  ...

  condition = calc(...);

  routine[condition](argv);

  我們用狀態矩陣成功規避了if-else…可以看到,還是用的指針。

  …

  指針是存儲-執行模型的計算機工作的必要條件!

  我們再看存儲-執行模型的計算機的工作方式:

  給定一個地址,CPU就可以取出該地址的數據。

  給定一個地址,CPU就可以寫入該地址一個值。

  只要想讓CPU正常工作,就必須暴露整個內存地址空間給CPU,否則CPU就是一堆毫無用處的門電路,換句話說, 一切來自內存! 操作內存就必然要用指針!

  其實,C語言就是簡化版的彙編語言。最終,C語言接力彙編用指針創造了世界。

  不管怎麼樣,C語言是面向計算機的編程語言,而不是面向業務的編程語言,它映射了計算機的工作方式而不太善於描述業務邏輯,因此,C語言深受黑客,編程手藝人這種計算機本身的愛好者喜愛,卻不被業務程序員待見,因為擺弄指針確實太繁瑣複雜了,一不小心就會出錯。

  存儲-執行模型的問題在於,要設計複雜的帶外機制防止內存被任意訪問,由此而來的就是複雜的分段,分頁,訪問控制,MMU等機制,當然,這些機制和CPU依靠指針訪問內存的工作方式並不衝突。

  把C語言指針用的最絕的應該就是Linux內核的嵌入式鏈表 struct list_head 了:

  struct list_head {

  struct list_head *next, *prev;

  };

  它可以代表一切,它通過C指針完美詮釋了OOD,list_head是世界的基類!

  通過container_of宏,list_head可以轉換為任意對象:

  /**

  * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure

  * @ptr: the pointer to the member.

  * @type: the type of the container struct this is embedded in.

  * @member: the name of the member within the struct.

  *

  */

  #define container_of(ptr, type, member) ({ \

  void *__mptr = (void *)(ptr); \

  BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) && \

  !__same_type(*(ptr), void), \

  "pointer type mismatch in container_of()"); \

  ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

  這個轉換背後的依賴,正是指針:

  然而,C語言依然對業務編程不友好,前面說了,C語言映射的就是計算機工作方式本身,若想用好C語言,就必須要懂計算機原理,這並不是業務程序員的菜,業務程序員只是編寫業務邏輯,並不在乎計算機是如何工作的。

  曾經,計算機還是一群痴迷於技術本身的極客們的玩具,計算機是屬於他們的,他們用C編程,用Perl/Python/Bash粘合二進位程序。進入互聯網時代,隨著越來越複雜的業務邏輯出現,越來越多的職業程序員開始成了多數派,他們開始使用更加業務友好的語言,Java,Go便成功了。

  不能說這些業務編程語言沒有指針,只是它們隱藏了指針而已,它們對程序員暴露了更加對業務友好的編程介面和語法,自己在底層處理指針問題,僅此而已。指針是客觀存在的,只要你使用的是存儲-執行模型的計算機,指針就是一切。

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