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C语言编程笔记丨最丑陋的C语言特性:tgmath.h(一)
2019-03-29 18:07:56 】 浏览:167
Tags:语言编程 笔记 丑陋 语言 特性 tgmath.h

<tgmath.h>是一个在C99引入的标准C语言库提供的头文件。对于Fortran编写的数值软件,它向C语言提供更加简洁的接口。

跟C语言不同,Fortran提供了编写在该语言内部的“固有函数”,其表现得更像操作符一样。固有函数接受不同类型的参数,并根据参数的类型返回对应类型的返回值。同时,Fortran中的普通函数(“外部函数”)的行为跟C语言中的函数类似,对类型要求严格(即函数参数的类型必须符合,返回值也是固定的)。举个例子,Fortran77提供了一个名为INT的函数,它能够接受Integer、Real、Double和Complex的参数,并总是返回Integer。另有一个名为SIN的函数,接受Real、Double和Complex的参数并返回相同类型的值。这两个函数仅仅是固有函数的一小部分。

某种意义上,这个特性帮了程序员不少忙,因为即使变量类型改变了,函数调用也不需要更改。另一方面,用户定义的函数不能像这样工作,因此这些附加的便利性只有在不调用用户定义函数的情况下才成立。

仅仅根据以上描述,就已经有一些C程序员认为这个特性是丑陋的了。同样的理由,他们认为把printf整合到C中一样丑陋。

这个功能和其他特性在C99被整合进C语言,包含在在之前提到的中,目的是更好的支持数值计算。其中提供了三角函数和对数函数,舍入相关的函数和少数其它函数。这个头文件定义了一系列宏,覆盖了中已有的一些函数;例如,cos宏在参数是double的时候表现得像cos函数一样,参数是float时像cosf,参数是long double时像cosl,double _Complex时像ccos,参数是float _Complex时像ccosf,参数是long double _Complex时像ccosl。最终,如果参数是任何整形,宏调用cos函数,就像参数被隐式的转换为了double类型一样。

这个特性丑陋的第二个理由在于它试图模仿成函数,但是这个模仿不但不完美,甚至是非常危险的:如果你尝试着将泛型宏cos当成一个参数传递给函数,而事实上它总是被当做对应double的cos函数,因为cos后面不紧跟一个左括号的话宏根本不会展开。

最后一个被认为丑陋的理由在于,这样的宏在严格意义上的C上根本不能实现,它们需要依靠某种编译器支持——另外,某些经验(例如,glibc实现中bug被发现的速度)表明,这个特性基本上没有使用过,因此不应该被算作这个语言核心的一部分,尤其是它根本就不支持潜在的特性。(相比之下,<stdarg.h>对便携性的支持就非常的好。)

说了这么多,这个特性又丑陋有没有实用价值,我干嘛提到它?我写这个文章的原因是我在考察glibc的时候,发现它是一个如此天才的实现。我认为它应该用一种更好的办法被后人铭记,而不是像下面这样的注释一样。

Ulrich Drepperdrepper@redhat.com

Joseph S. Myersjsm28@cam.ac.hk

* math/tgmah.h: Make standard compliant. Don’t ask how.

最直接模仿Fortran编译器的方法是使用一个简单的宏:(我会用cos来举大部分例子,其他宏的语法是相似的。)

#define cos(X) __tgmath_cos(X)

编译器会将__tgmath_cos当做内部操作符,然后将其转换成某一个前端的函数调用。

我见过的被推选出的最简洁的解决方法,是在编译器前段给基本函数加上了重载支持,这可以利用运营商扩展来实现。(否则,C语言标准会要求编译器检查某个标示符的不兼容声明。)

#define cos(X) __tgmath_cos(X)

#praga compiler_vendor overload __tgmath_cos

double __tgmath_cos (double x)

{return (cos) (x); }

float __tgmath_cos (float x)

{return cosf (x); }

long double __tgmath_cos (long double x)

{return cosl (x); }

...

(简单的习题: 为什么在定义__tgmath_cos(double)时,cos两旁有括号呢?)

当然,仅仅为了<tgmath.h>的这个目的而实现它是一件非常繁杂的工作。(虽然它有可能能在C++前端上工作。)没人想在C语言中用这样一个笨重的扩展,何况本就没多少程序使用<tgmath.h>,所以似乎这样扩展编译器有些不值得。

glibc的实现必须依靠那些用已经成熟的gcc版本推出的扩展,因此要实现它更加复杂了。

首先,让我们实现一个选择正确函数类型的宏吧。因为C语言不支持条件宏扩展,因此条件判断语句需要包含在扩展代码中。我们需要像下面这样代码:

#define cos(X) \

  (X is real) ? ( \

    (X has type double \

      || X has an integer type) \

      ? (cos) (X) \

      : (X has type long double) \

      ? cosl(X) \

      : cosf (X) \

  ) : (

    (X has type double _Complex) \

    ? ccos (X)

....

而且,我们发现写上面那样的条件判断语句非常简单。

“x is real”就是sizeof (X) == sizeof (__real__ (X))

“x has an integer type”就是(typeof(X))1.1 == 1(中等的习题:(__typeof__ (X))0.1 == 0不正确。这是为什么呢?) (事实上,glibc在某些情况使用了__builtin_classify_type,一种嵌入式的内部gcc,而在上述情况使用了另一种相似的替代。)

“x has typedouble/long double/float“也能被sizeof区分。但在有些硬件结构下,一些C类型被映射成相同的硬件类型,这时区分的结果可能那么精确,不过在这些硬件结构下这些不同类型的运算都没有差别,而且外部的C语言也不能识别出差别了。就C语言的”as-if”原则来说,这算是相当不错的了。

好的,这样一来我们的cos宏就能选择正确的函数来调用了。不过不幸的是,它总是返回long double _Complex类型的结果。原因在于,? :操作符的返回值的类型会是第二和第三操作数类型的“常用算术转换”。

我们能够避免这些类型转换来使用我们自己选择的类型,这需要另一个gcc扩展,声明表达式:

#define cos(X) ({ result_type __var; \

  if (X is real) { \

    if ((X has type double) \

      || (X has an integer type)) { \

      __var = (cos) (X); \

    else if (X has type long double) \

      __var = cosl (X); \

...

  __var; })

现在,这个宏的结果永远会是result_type,问题引刃而解。

是吗?


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