C标准库的实现详解

本文实例讲解了C标准库<assert.h>的实现过程及相关用法。分享给大家供大家参考。具体分析如下：

一、背景知识

头文件<assert.h>唯一的目的就是提供assert宏定义，可以在程序中关键的地方使用这个宏来进行断言。如果一处断言被证明非真，希望程序在标准错误流输出一条适当的提示信息，并使执行异常终止。

可以这样写代码：

#include<assert.h>
...
assert(0 <= i && i < sizeof(a) / sizeof(a[0]));

当然上面的代码不是实战中的最好的形式，程序异常终止应该改为某种错误的恢复。

宏NDEBUG

可以通过在程序的某些地方定义宏NDEBUG来改变assert的展开方式

如果程序某个包含assert的地方没有定义NDEBUG，该头文件就会将宏assert定义为活动形式，它就可以展开为一个表达式，测试断言并在断言为假的时候输出一条错误信息，然后程序终止。反之，如果定义了NDEBUG，头文件就会把这个宏定义为不执行任何操作的静止形式。

二、<assert.h>的使用

从上面的代码中可以看到，可以使用一个简单的谓词来简化assert：

if(!ok)
  abort(); //在头文件<stdlib.h>中声明

如果觉得断言没有存在的必要，就在包含头文件之前加上下面的代码：

#define NDEBUG //取消断言
#include<assert.h>

可以在整个源文件中用不同的方式控制断言，当断言在频繁执行的循环内部发生时，性能可能会急剧下降，或在达到提示性的部分之前，一个更早的断言可能会终止程序。要打开断言，可以写：

#undef NDEBUG
#include<assert.h>

要关闭断言，可以写：

#define NDEBUG
#include<assert.h>

注意：即使宏NDEBUG已经被定义了，我们仍然可以安全地定义它，这是一个良性重定义

三、<assert.h>的实现

从上面的分析知该头文件的大致框架如下：

#undef assert //消除已定义的
#ifdef NDEBUG
#define assert(expr) ((void) 0) //功能失效
#else
#define assert (expr) ...
#endif

一个简单的编写宏assert的活动形式的方式如下：

#define assert(expr) if(!(expr)) \
  fprintf(stderr, "Assertion failed: %s, file %s, line %i\n", \
    #expr, __FILE__, __LINE__)

这种方式因为如下几种原因不能接受：

1、宏不能直接调用库的任何输出函数

上面的定义中包含fprintf、stderr等在stdio.h中定义的函数或宏，程序可能没有包含这个头文件

2、宏必须能扩展为一个void类型的表达式

3、宏应该可以扩展为有效并且紧凑的代码

这个版本却总是调用了一个传递了5个参数的函数

修改后的assert宏如下：

#undef assert
#ifdef NDEBUG
  #define assert(expr) ((void) 0)
#else
  void __bad_assertion (const char *_mess);
  #define  __str(x)  # x
  #define  __xstr(x)  __str(x)
  #define  assert(expr)  ((expr)? (void)0 : \
        __bad_assertion("Assertion \"" #expr \
          "\" failed, file " __xstr(__FILE__) \
          ", line " __xstr(__LINE__) "\n"))
#endif

其中__LINE__ 是内置宏，代表该行代码的所在行号，由于__LINE__没有扩展成字符串字面量，它变成了一个十进制常量，把它转换成适当的形式需要一个额外的处理层。向头文件中添加两个隐藏的宏__str和__xstr来实现，其中一个宏用它的十进制常量扩展来取代__LINE__，另一个是把十进制常量转换成一个字符串字面量

宏调用的隐藏库函数__bad_assertion的实现：

#include<assert.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void __bad_assertion(const char *mess) {
    fputs(mess, stderr);
    abort();
 }

函数__bad_assertion使用了两个其他的库函数，通过调用<stdio.h>中声明的函数fputs把字符串写到标准错误流，并使用abort异常终止程序的执行，有关这些相关头文件以后会详细剖析。

四、<assert.h>的测试

#include<assert.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main( void )
{
    FILE *fp;
    fp = fopen( "test.txt", "w" );//以可写的方式打开一个文件，如果不存在就创建一个同名文件
    assert( fp );              //所以这里不会出错
    fclose( fp );
  
    fp = fopen( "noexitfile.txt", "r" );//以只读的方式打开一个文件，如果不存在就打开文件失败
    assert( fp );              //所以这里出错
    fclose( fp );              //程序永远都执行不到这里来
    return 0;
}

注意：

1.在函数开始处检验传入参数的合法性如：

int resetBufferSize(int nNewSize)
{
　　//功能:改变缓冲区大小,
　　//参数:nNewSize 缓冲区新长度
　　//返回值:缓冲区当前长度 
　　//说明:保持原信息内容不变   nNewSize<=0表示清除缓冲区
　　assert(nNewSize >= 0);
　　assert(nNewSize <= MAX_BUFFER_SIZE);
　　...
}

2.每个assert只检验一个条件，因为同时检验多个条件时，如果断言失败，无法直观的判断是哪个条件失败，如：

assert(nOffset>=0 && nOffset+nSize<=m_nInfomationSize);//不好

//好
assert(nOffset >= 0);
assert(nOffset+nSize <= m_nInfomationSize);

3.不能使用改变环境的语句，因为assert只在DEBUG个生效，如果这么做，会使用程序在真正运行时遇到问题，如：

错误：

assert(i++ < 100);

这是因为如果出错，比如在执行之前i=100，那么这条语句就不会执行，那么i++这条命令就没有执行。

正确：

assert(i < 100);
i++;

4.assert和后面的语句应空一行，以形成逻辑和视觉上的一致感。

5.在有的地方，assert不能代替条件过滤。

相信本文所述对大家C程序设计的学习有一定的借鉴价值。