第3章 嵌入式Linux C高级用法

嵌入式LinuxC高级用法课程目标预处理C语言中的内存分配程序的可移植性考虑C和汇编的接口本章内容3.1预处理3.2C语言中的内存分配3.3程序的可移植性考虑3.4C和汇编的接口本章小结预处理3.3.1预定义3.3.2文件包含3.3.3条件编译预定义在C语言源程序中允许用一个标识符来表示一串符号，称为宏，被定义为宏的标识符称为宏名。在编译预处理时，对程序中所有出现的宏名，都用宏定义中的符号串去替换，这称为宏替换或宏展开。预定义符号宏定义预定义符号有一些预处理定义的符号串，它们的值或者是字符串常量，或者是十进制数字常量，它们通常在调试程序时用于输出源程序的各项信息。符号示例含义__FILE__/home/david/hello.c正在预编译的源文件名__LINE__5文件当前行的行号__FUNCTION__main当前所在的函数名__DATE__Mar132009预编译文件的日期__TIME__23:04:12预编译文件的时间__STDC__1如果编译器遵循ANSIC，则值为1宏定义宏定义是由源程序中的宏定义#define语句完成的；而宏替换是由预处理程序自动完成的。（1）无参宏定义无参宏的宏名（也就是标识符）后不带参数，其定义的一般形式为：#define标识符字符串（2）带参宏定义对带参数的宏，在调用中不仅要宏展开，而且要用实参去代换形参。带参宏定义的一般形式为：#define宏名(形参表)字符串宏定义属性#define宏函数处理阶段预处理阶段，只是符号串的简单的置换编译阶段代码长度每次使用宏时，宏代码都被插入到程序中。因此，除了非常小的宏之外，程序的长度都将被大幅增长（除了inline函数之外）函数代码只出现在一个地方，每次使用这个函数，都只调用那个地方的同一份代码执行速度更快存在函数调用/返回的额外开销（inline函数除外）操作符优先级宏参数的求值是在所有周围表达式的上下文环境中，除非它们加上括号，否则邻近操作符的优先级可能会产生不可预料的结果函数参数只在函数调用时求值一次，它的结果值传递给函数，因此，表达式的求值结果更容易预测参数求值参数每次用于宏定义时，它们都将重新求值。由于多次求值，具有副作用的参数可能会产生不可预料的结果参数在函数被调用前只求值一次，在函数中多次使用参数并不会导致多种求值问题，参数的副作用不会造成任何特殊的问题参数类型宏与类型无关，只要对参数的操作时合法的，它可以使用于任何参数类型函数的参数与类型有关，如果参数的类型不同，就需要使用不同的函数，即使它们执行的任务是相同的宏与函数的不同之处文件包含文件包含是C语言预处理程序的另一个重要功能，文件包含命令行的一般形式为：#include文件名“对文件包含命令还要说明以下几点：包含命令中的文件名可以用双引号括起来，也可以用尖括号括起来。使用尖括号表示在系统头文件目录中去查找（头文件目录可以由用户来指定）；使用双引号则表示首先在当前的源文件目录中查找，若未找到才到系统头文件目录中去查找。用户编程时可根据自己文件所在的位置来选择某一种形式。一个include命令只能指定一个被包含文件，若有多个文件要包含，则需用多个include命令。文件包含允许嵌套，即在一个被包含的文件中又可以包含别的文件。条件编译第一种形式第二种形式第三种形式#ifdef标识符程序段1#else程序段2#endif#ifndef标识符程序段1#else程序段2#endif#if常量表达式程序段1#else程序段2#endif语言中的内存分配3.2.1C语言程序所占内存分类3.2.2堆和栈的区别语言程序所占内存分类一个由C语言的程序占用的内存分为以下几个部分。栈（stack）：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值、返回地址等，其操作方式类似于数据结构中的栈。堆（heap）：一般由程序员动态分配（调用mallo()函数）和释放（调用free()函数），若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。数据段（data）：存放的是全局变量、静态变量、常数。根据存放的数据，数据段又可以分成普通数据段（包括可读可写/只读数据段，存放静态初始化的全局变量或常量）、BSS数据段（存放未初始化的全局变量）。代码段（code）：用于存放程序代码。堆和栈的区别申请方式栈（stack）是由系统自动分配的；堆（head）需要程序员自己申请，并在申请时指定大小。申请后系统的响应堆在操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，系统就会开始遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。堆和栈的区别申请大小的限制堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域；栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。申请速度的限制堆是由malloc()等语句分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来很方便。栈由系统自动分配，速度较快，但程序员一般无法控制。堆和栈中的存储内容堆一般在堆的头部用一个字节存放堆的大小，堆中的具体内容由程序员安排。程序的可移植性考虑3.3.1字长和数据类型3.3.2数据对齐3.3.3字节顺序字长和数据类型能够由机器一次完成处理的数据称为字，不同体系结构的字长通常会有所区别。类型描述s8带符号字节u8无符号字节s16带符号16位整数u16无符号16位整数s32带符号32位整数u32无符号32位整数s64带符号64位整数u64无符号64位整数数据对齐对齐是内存数据与内存中的相对位置相关的话题。一些体系结构对对齐的要求非常严格。通常基于RISC的系统载入未对齐的数据会导致处理器陷入（一种可处理的错误）；还有一些系统可以访问没有对齐的数据，但性能会下降。字节顺序字节顺序是指一个字中各个字节的顺序，有大端模式和小端模式。大端模式是指在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。小端模式是指与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。ARM体系结构支持大端模式（big-endian）和小端模式（little-endian）两种内存模式。和汇编的接口3.4.1内嵌汇编的语法3.4.2编译器优化介绍3.4.3C语言关键字volatile3.4.4memory描述符内嵌汇编的语法汇编语言模板汇编语句模板由汇编语句序列组成，语句之间使用“;”、“\n”或“\n\t”分开。每条指令都必须被双引号括起来。两条指令必须用换行或分号分开。指令中的操作数可以使用占位符引用C语言变量，操作数占位符最多10个，名称如为：%0，%1，...，%9内嵌汇编的语法输出部分输出部分用来指定当前内联汇编语句的输出。输入部分输入部分用来指定当前内联汇编语句的输入，每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式或者C语言变量组成，格式为形如“constraint”(variable)的列表。破坏描述部分有时候，我们想通知gcc当前内联汇编语句可能会对某些寄存器或内存进行修改，希望gcc在编译时能够将这一点考虑进去。那么就可以在破坏描述部分声明这些寄存器或内存。编译器优化介绍由于内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度，以上是硬件级别的优化。软件级别的优化有两种：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器和调整指令顺序充分利用CPU指令流水线等，常见的是重新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。C语言关键字volatile表明某个变量的值可能随时被外部改变，因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新读取。volatile的本意是指这个值可能会在当前线程外部被改变，此时编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取。这个关键字在外设接口编程中经常会使用。描述符memory描述符告知gcc以下内容。不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序。不要将变量缓存到寄存器。如果汇编指令修改了内存，但是gcc本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时就需要在修改描述部分增加memory，告诉gcc内存已经被修改，gcc得知这个信息后，就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache而到寄存器中的变量值先写回内存，如果以后又要使用这些变量，则再重新读取。本章小结介绍了嵌入式LinuxC语言的高级用法，包括一些几个重要的话题：预处理内存分程序的移植性考虑C语言与汇编语言之间的混合编程……这些在使用嵌入式LinuxC开发的应用程序中都是常见的。