2017年8月7日 星期一

C/C++ - 常見 C 語言觀念題目總整理（適合考試和面試）

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常見的 C/C++ 問題總整理，增強 C 語言觀念並練習一些題目，努力脫離考試苦海吧！

（非從零開始，適合稍有 C/C++ 基礎的人閱讀。）

2017.08.07 初版
2018.01.28 新增部分內容




一、指標


指標 (pointer)：一個指向某個儲存位址的變數，語法為

int *ptr = &var;

其中

  • & : 取變數位址
  • * : 表示為指標變數

也可用於函數變為函式指標 (function pointer)，語法為

void (*fptr)(type_a, type_b) = &func;

常用的地方如下

  • 函式 sort 時傳入判斷準則
  • multithread 傳函數進入建立 thread 的 API 中
  • callback function (一種事件導向的函式)


1. 基礎指標判讀


指標判讀大原則為「從右讀到左」，例如：

int a; // 一個整型數
int *a; // 一個指向整數的指標
int **a; // 一個指向指標的指標，它指向的指標是指向一個整型數
int a[10]; // 一個有10個整數型的陣列
int *a[10]; // 一個有10個指標的陣列，該指標是指向一個整數型的
int (*a)[10]; // 一個指向有10個整數型陣列的指標
int (*a)(int); // 一個指向函數的指標，該函數有一個整數型參數並返回一個整數
int (*a[10])(int); // 一個有10個指標的陣列，該指標指向一個函數，該函數有一個整數型參數並返回一個整數

注意宣告兩個指標時不能寫做 int* a, b; 因為前式等價於 int* a; int b;。連續宣告兩個指標用 int *a, *b;


2. 指標與其他關鍵字混用


一樣右讀到左，例如：

const int * foo; // 一個 pointer，指向 const int 變數。
int const * foo; // 一個 pointer，指向 const int 變數。
int * const foo; // 一個 const pointer，指向 int 變數。
int const * const foo; // 一個 const pointer，指向 const int 變數。

關鍵字 volatile 等等判讀方式相同。




二、call by value, call by reference


1. call by value : 最常見的函式寫法，呼叫者和被呼叫者的變數各自佔有記憶體，將參數複製再傳給函式。

2. call by reference : 呼叫者和被呼叫者的變數使用相同的記憶體位址，因此在被呼叫函式中改變變數時，變動結果會保留。(C++ 才有，寫法為 type func(type &var) { ... })


[用心去感覺] call by address (?)

C 語言之父明確表示 C 語言只有 call by value。坊間有 call by address 的說法其實是方便教學，指的是對指標變數進行操作的 call by value，具體的執行效果和 call by reference 一樣。

下面兩篇文章對這個觀念講得很清楚：

MLab - 什麼是傳值call by value、傳址call by address、傳參考call by reference
http://wp.mlab.tw/?p=176

郭晉魁教授 - c語言有沒有call by reference(or call by address) ?
http://eportfolio.lib.ksu.edu.tw/~T093000170/blog?node=000000119





三、變數範圍和生命周期（關鍵字 static）


1. local 變數 : local 變數僅活在該函式內，存放位置在 stack 或 heap 記憶體中。

2. static 變數 : static 變數生命周期 (life time) 跟程式一樣長，而範圍 (scope) 則維持不變，即在宣告的函式之外仍無法存取 static 變數。

3. global 變數 : 所有區段皆可使用此變數。


[用心去感覺] static vs global

 除了範圍不同，static 變數只有宣告的檔案可以使用；而 global 變數可加上 extern 關鍵字修飾，即可在其他檔案以 .h 標頭檔方式使用該變數 (也就是 internal linkage 和 external linkage 的不同)。


[用心去感覺] 記憶體的配置

  • Stack : 存放函數的參數、區域變數等，由空間配置系統自行產生與回收。(會稱作 stack 是由於其配置遵守 LIFO)
  • Heap : 一般由程式設計師分配釋放，執行時才會知道配置大小，如 malloc/new 和 free/delete。(注意其資料結構不是 DS 中的 heap 而是 link-list)
  • Global : 包含 BSS (未初始化的靜態變數)、data section (全域變數、靜態變數) 和 text/code (常數字元)。


[重要!] process 在記憶體中的配置圖


[例題] 配置練習

int a=0;   //global 初始化區
char *p1;  //global 未初始化區
main(){
    int b;             // stack
    char s[]="abc";    // stack
    char *p2;          // stack
    char *p3="123456"; // 123456\0 在常量區，p3在stack。
    static int c=0;   // global (static) 初始化區
    p1 = (char*)malloc(10);
    p2 = (char*)malloc(20);  //分配得來得10和20位元組的區域在heap
    strcpy(p1,"123456");  
    //123456\0 在常量區，編譯器可能會將它與 p3 中的 123456\0 優化成一個地方。
}


[例題] static 練習

static int num_a;
// 專屬於整個檔案的全域變數，其他檔案不能存取

void func (int num_b) { // stack 區 
 int num_c; // stack 區

 static int num_d; 
 //scope不變，只能在函數 func 內呼叫，但 lifetime 是整支程式執行的時間。
}





四、關鍵字 const


const 通常表示只可讀取不可寫入的變數，常用來宣告常數。使用 const 有以下好處：

  • 提升程式碼可讀性
  • 使編譯器保護那些不希望被改變的參數
  • 給優化器一些附加的資訊


[用心去感覺] const vs #define

  1. 編譯器處理方式 : define 在預處理階段展開；const 在編譯階段使用。
  2. 類型和安全檢查 : const 會在編譯階段會執行類型檢查，define 則不會。
  3. 存儲方式 : define 直接展開不會分配記憶體，const 則會在記憶體中分配。





五、關鍵字 volatile


由於嵌入式系統常處理 I/O、中斷、即時操作系統 (RTOS) 相關的問題，因此在嵌入式系統開發中 volatile 尤為重要。被 volatile 修飾的變數代表它可能會被不預期的更新，因此告知編譯器不對它涉及的地方做最佳化，並在每次操作它的時候都讀取該變數實體位址上最新的值，而不是讀取暫存器的值。

volatile 常見的應用：

  1. 修飾中斷處理程式中 (ISR) 中可能被修改的全域變數。
  2. 修飾多執行緒 (multi-threaded) 的全域變數。
  3. 設備的硬體暫存器 (如狀態暫存器)


[用心去感覺] const 和 volatile 合用

extern const volatile unsigned int rt_clock;

這是在 RTOS kernel 常見的一種宣告：rt_clock 通常是指系統時鐘，它經常被時鐘中斷進行更新。所以它是 volatile。因此在用的時候，要讓編譯器每次從記憶體裡面取值。而 rt_clock 通常只有一個寫者（時鐘中斷），其他地方對其的使用通常都是唯讀的。所以將其聲明為 const，表示這裏不應該修改這個變數。所以 volatile 和 const 是兩個不矛盾的東西，並且一個物件同時具備這兩種屬性也是有實際意義的。





六、關鍵字 inline


inline 可以將修飾的函式設為行內函式，即像巨集 (define) 一樣將該函式展開編譯，用來加速執行速度。

inline 和 #define 的差別在於：

  • inline 函數只對參數進行一次計算，避免了部分巨集易產生的錯誤。
  • inline 函數的參數類型被檢查，並進行必要的型態轉換。
  • 巨集定義盡量不使用於複雜的函數
  • 用 inline 後編譯器不一定會實作，僅為建議。




七、前處理器相關


前處理器主要處理加入檔案 #include、巨集定義 #define 和 #undef 條件編譯。


1. 巨集 #define


#define 是巨集，在前置處理器 (preprocessor) 執行時處理，將要替換的程式碼展開做文字替換。define 語法範例如下：

#define PI 3.1415926    //常數巨集
#define A(x) x    //函數巨集
#define MIN(A，B)  ( (A)  <= (B) ? (A) : (B))

注意把參數用括號括起來，不然容易發生以下錯誤：

#define SUM(a,b)  a+b

當 SUM(2,5)*10 時，因為沒有括弧先乘除後加減，得輸出為 52，錯誤。


2. 引入防護和條件編譯


引入防護 (Include guard) 是一種條件編譯，用於防範 #include 指令重複引入的問題。

/* 避免重複引入 */
#ifndef MYHEADER
#define MYHEADER
...
#endif

第一次被引入時會定義巨集 MYHEADER，再次引入時判斷 #ifndef 測試失敗，因此編譯器會直接跳到 #endif，由此避免了重複引用。另有非標準的指令 #pragma once 提供相同效果，但由於可攜性不如上例，因此大多時候還是上面提到的方法為主。

條件編譯還有一些其它應用：

/* 若前處理器已經 define MYHEADER，就編譯 part A，否則編譯 part B。 */
#ifdef MYHEADER
#define MYHEADER
   // part A
#else
   // part B
#endif

/* DEBUG flag */
#ifdef DEBUG
   print ("device_open(%p) ", file);
#endif




八、bitwise operator



邏輯上的運算子在 C 中的語法分別如下：

  • AND （&）
  • OR（|）
  • NOT（!）
  • XOR（^）// bit值不一樣為 1
  • complement（~）
  • shift (<<, >>)

bitwise 的操作常與 "0x" 這種 16 進位表示法，方便轉換操作。


[例題] 基本運算

unsigned long num_a = 0x00001111;
unsigned long num_b = 0x00000202;
unsigned long num_c;

num_c = num_a & (~num_b);
num_c = num_c | num_b;

printf("%lx", num_c); // 00001313


[例題] mask 方法做 bitwise 操作

a = a | 7    // 最右側 3 位設為 1，其餘不變。
a = a & (~7) // 最右側 3 位設為 0，其餘不變。
a = a ^ 7    // 最右側 3 位執行 NOT operator，其餘不變。




九、複製：memcpy 和 strcpy



1. 記憶體複製


void *memcpy( void *dest, const void *src, size_t count );

memcpy() 可以複製任何類型資料，不處理字串結束 '\0' 的情況，當 *src 長度大於 *dest 時會 buffer overflow (編譯時不會錯誤)。


2. 字串複製


void *strcpy( void *dest, const void *src);

strcpy() 只能用於字串複製，不需要指定長度，因為會自動偵測以 '\0' 為結尾，當 *src 長度大於 *dest 時會 buffer overflow (*dest 將沒有 \0)。


舉例

#include <string.h>
#include <stdio.h>
int main (){
 const char *str1 = "abc\0def";
 char str2[16] = {0};
 char str3[16] = {0};

 strcpy(str2, str1);
 memcpy(str3, str1, sizeof(str3)); // 8
 printf("str2 = %s\n", str2);    // str2 = abc
 printf("str3 = %c\n", str3[5]); // str3 = e
 return 0;
}




十、延伸性資料型態：struct、typedef、union 和 enum



1. 結構 struct


struct 是使用者自定的型態，包含數個不同資料型態的變數，將不同的資料型態關聯在一起，使他們的關聯更直覺。

struct [structName] {
 char name[16]; 
 int age;
 struct [structName] *ptr;  
 // 不能含有自己，但可以有自己型別的指標。
};

int main () {
 struct [structName] person1 = {"Amy", 20 }; // 初始化
 person.age = 21; // 操作
}


2. 重新定義型態名稱 typedef


typedef 保留字可以為資料型態建立別名，使程式更易閱讀理解。例如：

typeof struct [structName] {
 char name[16];
 int age;
 struct [structName] *ptr;
} PERSON;

int main () {
 PERSON person1 = {"Amy", 20 };
 person.age = 21;
}


3. 列舉 enum


enum 是一種常數定義方式，可以提升可讀性，enum 裡的識別字會以 int 的型態，從指定的值開始遞增排列 (預設為 0)。

typedef enum {SUN=0, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT} week_type;
week_type week = WED;
if(week==WED)
    cout<<week<<endl; // 3


4. 共用結構 union


電腦架構早期記憶體空間比較不足，因此需要使用共用結構讓各變數共用一塊記憶體，union 所需的記憶體空間大小由最大的成員變數決定，例如以下 union 的大小為 8 位元組 (upper bound double)。

union data{
 char c;
 int num;
 double fnum;
};
union data a, b;

struct 是每個成員變數都配置一段空間，union 則是共用一段記憶體空間。另外，union 需注意記憶體內的排列方式，如 little-endian 方法排列，int 會放在 double 的 byte 3~0 的位置，從而改變 double 讀取時的值。





[補充] 未定義行為 (Undefined behavior)


常見的語法 i++ 和 ++i 具有以下性質：

  • i++ : 先用 i ，再將 i+1
  • ++i : 先 i+1，再用 i 。

因此會出現這種問題：

int i = 10
i = i++ + ++i;

這個問題的標準答案是

i = i++ + ++i;
i = 10 + ++i;
i = 10 + 12;
i = 22

但是這是有爭議的！編譯時會有警告訊息


即遇到了未定義行為問題，詳見下面的文章。

程式設計遇上小提琴 - 萬惡的未定義行為
http://blog.ez2learn.com/2008/09/27/evil-undefined-behavior/









References


A ‘C’ Test: The 0x10 Best Questions for Would-be Embedded Programmers
https://rmbconsulting.us/publications/a-c-test-the-0x10-best-questions-for-would-be-embedded-programmers/
中文版：http://mojear.blogspot.tw/2013/03/c-0x10.html


Nigel Jones - Introduction to the volatile keyword
http://www.embedded.com/electronics-blogs/beginner-s-corner/4023801/Introduction-to-the-Volatile-Keyword
中文版：http://newscienceview.blogspot.com/2013/09/c-volatile.html


HIMANSHU ARORA - 12 Interesting C Interview Questions and Answers
http://www.thegeekstuff.com/2012/08/c-interview-questions/
中文版：https://blog.gtwang.org/programming/c-interview-questions/


Green End Organisation - Inline Functions In C
http://www.greenend.org.uk/rjk/tech/inline.html

sandwichc-life - C/C++之指標 (pointer)，參考 (reference) 觀念整理與常見問題
https://dotblogs.com.tw/brian/2012/10/18/77588

易春木 - 軟體/韌體工程師面試重點與考題- C語言,資料結構,演算法,以及OS作業系統..等題目(筆試考題)
http://eeepage.info/interview-c/

JuKevin - const 放置位置的意義
http://blog.xuite.net/tsai.oktomy/program/65131235-const+%E6%94%BE%E7%BD%AE%E4%BD%8D%E7%BD%AE%E7%9A%84%E6%84%8F%E7%BE%A9

Nigel Jones - 嵌入式經典面試題　
http://b8807053.pixnet.net/blog/post/3610969-%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E7%B6%93%E5%85%B8%E9%9D%A2%E8%A9%A6%E9%A1%8C

Yu-Hsin Hung - 軟體工程師面試資源整理
https://hungys.xyz/software-engineer-interview-resources/

沙拉筆記 - 面試 Interview 考題 test part 1
http://wcodominique.blogspot.tw/2014/02/interview-test-part-1.html

Po-Hsing Wu - 2016q3 Homework1 面試題目
https://hackmd.io/s/BJoOqyo6

suspect1 - 軟韌體工程師面試常考之考古題
https://www.ptt.cc/bbs/NTUE-CS100/M.1300374249.A.C8F.html

wiki - include gurad
https://en.wikipedia.org/wiki/Include_guard




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