C语言高级编程技巧与最佳实践 – 完整版
目录
- 宏定义与预处理技巧
- 内存管理高级技巧
- 函数指针与回调机制
- 数据结构设计
- 并发与多线程
- 错误处理与异常机制
- 性能优化技巧
- 调试与测试技巧
- 跨平台编程
- 安全编程实践
- 综合演示示例
宏定义与预处理技巧
1. 条件编译与平台检测
/**
* 平台和编译器检测
* 用于条件编译和跨平台兼容性
*/
#if defined(_WIN32) || defined(_WIN64)
#define PLATFORM_WINDOWS
#elif defined(__linux__)
#define PLATFORM_LINUX
#elif defined(__APPLE__)
#define PLATFORM_MACOS
#endif
// 编译器检测
#if defined(__GNUC__)
#define COMPILER_GCC
#elif defined(_MSC_VER)
#define COMPILER_MSVC
#endif
// 版本检测
#if __STDC_VERSION__ >= 201112L
#define C11_SUPPORTED
#endif
2. 强大的宏技巧
/**
* 高级宏定义集合
* 提供类型安全和便捷的宏工具
*/
// 字符串化和连接
#define STRINGIFY(x) #x
#define TOSTRING(x) STRINGIFY(x)
#define CONCAT(a, b) a##b
// 获取数组长度
#define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]))
// 容器of宏（从成员指针获取容器指针）
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
void *__mptr = (void *)(ptr); \
((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })
// 最大最小值
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define MIN(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
// 交换变量（不使用临时变量）
#define SWAP(a, b) do { typeof(a) temp = a; a = b; b = temp; } while(0)
// 编译时断言
#define STATIC_ASSERT(condition, message) \
typedef char static_assertion_##message[(condition) ? 1 : -1]
// 可变参数宏
#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) \
fprintf(stderr, "[DEBUG] %s:%d: " fmt "\n", __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
3. 现代C语言特性
/**
* C11现代特性使用
* 利用新标准提高代码质量
*/
// 泛型选择
#define generic_max(a, b) _Generic((a), \
int: max_int, \
float: max_float, \
double: max_double \
)(a, b)
// 静态断言（C11）
_Static_assert(sizeof(int) >= 4, "int must be at least 4 bytes");
// 线程局部存储（C11）
_Thread_local int thread_var;
内存管理高级技巧
1. 内存池设计
/**
* 内存池实现
* 提供高效的内存分配和回收机制
*/
typedef struct {
void *memory;
size_t size;
size_t used;
size_t block_size;
} memory_pool_t;
memory_pool_t* create_pool(size_t size, size_t block_size) {
memory_pool_t *pool = malloc(sizeof(memory_pool_t));
pool->memory = malloc(size);
pool->size = size;
pool->used = 0;
pool->block_size = block_size;
return pool;
}
void* pool_alloc(memory_pool_t *pool, size_t size) {
if (pool->used + size > pool->size) return NULL;
void *ptr = (char*)pool->memory + pool->used;
pool->used += size;
return ptr;
}
2. 智能指针模拟
/**
* 智能指针模拟系统
* 实现引用计数自动内存管理
*/
#include <stdatomic.h>
typedef struct {
void *ptr;
void (*deleter)(void*);
atomic_int *ref_count;
} smart_ptr_t;
smart_ptr_t make_smart_ptr(void *ptr, void (*deleter)(void*)) {
smart_ptr_t sp = {ptr, deleter, malloc(sizeof(atomic_int))};
atomic_init(sp.ref_count, 1);
return sp;
}
smart_ptr_t smart_ptr_copy(smart_ptr_t sp) {
atomic_fetch_add(sp.ref_count, 1);
return sp;
}
void smart_ptr_free(smart_ptr_t *sp) {
if (atomic_fetch_sub(sp->ref_count, 1) == 1) {
sp->deleter(sp->ptr);
free(sp->ref_count);
}
}
3. 内存对齐
/**
* 内存对齐工具
* 确保数据结构在内存中的正确对齐
*/
// C11对齐
_Alignas(16) char aligned_buffer[256];
// 手动对齐
#define ALIGN_UP(x, align) (((x) + (align) - 1) & ~((align) - 1))
#define IS_ALIGNED(x, align) (((x) & ((align) - 1)) == 0)
void* aligned_malloc(size_t size, size_t alignment) {
void *ptr = malloc(size + alignment - 1 + sizeof(void*));
if (!ptr) return NULL;
void **aligned_ptr = (void**)(((uintptr_t)ptr + sizeof(void*) + alignment - 1) & ~(alignment - 1));
aligned_ptr[-1] = ptr;
return aligned_ptr;
}
函数指针与回调机制
1. 面向对象风格编程
/**
* 虚函数表模拟
* 实现C语言中的面向对象编程
*/
// 虚函数表模拟
typedef struct {
void (*destroy)(void *self);
void (*print)(void *self);
int (*compare)(void *self, void *other);
} vtable_t;
typedef struct {
vtable_t *vtable;
// 具体数据
} object_t;
// 多态调用
#define CALL_METHOD(obj, method, ...) \
((obj)->vtable->method((obj), ##__VA_ARGS__))
2. 状态机实现
/**
* 状态机实现
* 提供灵活的状态管理机制
*/
typedef enum {
STATE_IDLE,
STATE_RUNNING,
STATE_PAUSED,
STATE_STOPPED
} state_t;
typedef struct {
state_t current_state;
int (*handlers[4])(void *context, int event);
} state_machine_t;
int handle_idle(void *context, int event) {
switch (event) {
case EVENT_START:
return STATE_RUNNING;
default:
return STATE_IDLE;
}
}
3. 插件系统设计
/**
* 插件系统设计
* 支持动态加载和扩展功能
*/
typedef struct {
const char *name;
int version;
int (*init)(void);
void (*cleanup)(void);
void* (*create_instance)(void);
} plugin_interface_t;
// 动态加载插件
#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#define LOAD_PLUGIN(name) LoadLibrary(name)
#define GET_SYMBOL(handle, name) GetProcAddress(handle, name)
#else
#include <dlfcn.h>
#define LOAD_PLUGIN(name) dlopen(name, RTLD_LAZY)
#define GET_SYMBOL(handle, name) dlsym(handle, name)
#endif
数据结构设计
1. 链表实现
/**
* 双向链表实现
* 提供高效的插入和删除操作
*/
typedef struct list_node {
void *data;
struct list_node *next;
struct list_node *prev;
} list_node_t;
typedef struct {
list_node_t head;
size_t size;
void (*destructor)(void*);
} list_t;
// 双向链表操作
void list_insert_after(list_t *list, list_node_t *node, void *data) {
list_node_t *new_node = malloc(sizeof(list_node_t));
new_node->data = data;
new_node->next = node->next;
new_node->prev = node;
if (node->next) node->next->prev = new_node;
node->next = new_node;
list->size++;
}
2. 哈希表实现
/**
* 哈希表实现
* 提供快速的键值对存储和检索
*/
typedef struct hash_entry {
char *key;
void *value;
struct hash_entry *next;
} hash_entry_t;
typedef struct {
hash_entry_t **buckets;
size_t bucket_count;
size_t size;
unsigned int (*hash_func)(const char*);
} hash_table_t;
unsigned int djb2_hash(const char *str) {
unsigned int hash = 5381;
int c;
while ((c = *str++)) hash = ((hash << 5) + hash) + c;
return hash;
}
3. 环形缓冲区
/**
* 环形缓冲区实现
* 适用于生产者-消费者模式
*/
typedef struct {
char *buffer;
size_t size;
size_t read_pos;
size_t write_pos;
int full;
} ring_buffer_t;
int ring_buffer_write(ring_buffer_t *rb, const char *data, size_t len) {
size_t available = rb->size - ring_buffer_size(rb);
if (len > available) return -1;
for (size_t i = 0; i < len; i++) {
rb->buffer[rb->write_pos] = data[i];
rb->write_pos = (rb->write_pos + 1) % rb->size;
if (rb->write_pos == rb->read_pos) rb->full = 1;
}
return len;
}
并发与多线程
1. 线程安全的数据结构
/**
* 线程安全计数器
* 提供原子操作和条件等待
*/
#include <pthread.h>
typedef struct {
int value;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
} thread_safe_counter_t;
void counter_increment(thread_safe_counter_t *counter) {
pthread_mutex_lock(&counter->mutex);
counter->value++;
pthread_cond_signal(&counter->cond);
pthread_mutex_unlock(&counter->mutex);
}
int counter_wait_for(thread_safe_counter_t *counter, int target) {
pthread_mutex_lock(&counter->mutex);
while (counter->value < target) {
pthread_cond_wait(&counter->cond, &counter->mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&counter->mutex);
return counter->value;
}
2. 读写锁实现
/**
* 读写锁实现
* 支持多读单写的并发控制
*/
typedef struct {
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t read_cond;
pthread_cond_t write_cond;
int readers;
int writers;
int waiting_writers;
} rwlock_t;
void rwlock_rdlock(rwlock_t *rwlock) {
pthread_mutex_lock(&rwlock->mutex);
while (rwlock->writers > 0 || rwlock->waiting_writers > 0) {
pthread_cond_wait(&rwlock->read_cond, &rwlock->mutex);
}
rwlock->readers++;
pthread_mutex_unlock(&rwlock->mutex);
}
3. 无锁编程
/**
* 无锁编程工具
* 使用原子操作实现高性能并发
*/
#include <stdatomic.h>
typedef struct {
atomic_int value;
} atomic_counter_t;
void atomic_counter_increment(atomic_counter_t *counter) {
atomic_fetch_add(&counter->value, 1);
}
int atomic_counter_get(atomic_counter_t *counter) {
return atomic_load(&counter->value);
}
错误处理与异常机制
1. 错误码系统
/**
* 错误码系统
* 提供结构化的错误处理机制
*/
typedef enum {
ERROR_SUCCESS = 0,
ERROR_INVALID_PARAM = -1,
ERROR_OUT_OF_MEMORY = -2,
ERROR_FILE_NOT_FOUND = -3,
ERROR_PERMISSION_DENIED = -4
} error_code_t;
#define RETURN_ON_ERROR(expr) do { \
error_code_t err = (expr); \
if (err != ERROR_SUCCESS) return err; \
} while(0)
// 带上下文的错误处理
typedef struct {
error_code_t code;
const char *message;
const char *file;
int line;
} error_context_t;
2. 异常模拟机制
/**
* 异常模拟机制
* 使用setjmp/longjmp实现异常处理
*/
#include <setjmp.h>
typedef struct {
jmp_buf jump_buffer;
int error_code;
const char *error_message;
} exception_context_t;
static __thread exception_context_t *current_exception = NULL;
#define TRY \
do { \
exception_context_t __exception_ctx; \
__exception_ctx.error_code = 0; \
if (setjmp(__exception_ctx.jump_buffer) == 0) { \
current_exception = &__exception_ctx;
#define CATCH(error_var) \
} else { \
error_var = current_exception->error_code;
#define END_TRY \
} \
current_exception = NULL; \
} while(0);
#define THROW(code, message) \
do { \
if (current_exception) { \
current_exception->error_code = code; \
current_exception->error_message = message; \
longjmp(current_exception->jump_buffer, 1); \
} \
} while(0)
3. 资源管理RAII
/**
* RAII资源管理
* 确保资源的自动释放
*/
typedef struct {
void *resource;
void (*cleanup)(void*);
} raii_guard_t;
#define RAII_VAR(type, name, init, cleanup_func) \
type name = init; \
raii_guard_t __guard_##name = {&name, (void(*)(void*))cleanup_func}; \
__attribute__((cleanup(raii_cleanup))) raii_guard_t *__raii_##name = &__guard_##name;
static void raii_cleanup(raii_guard_t **guard) {
if ((*guard)->resource && (*guard)->cleanup) {
(*guard)->cleanup((*guard)->resource);
}
}
性能优化技巧
1. 缓存友好的数据结构
/**
* 缓存友好的数据结构
* 优化内存布局提高缓存命中率
*/
// 结构体打包优化
struct __attribute__((packed)) packed_struct {
char a;
int b;
short c;
};
// 缓存行对齐
#define CACHE_LINE_SIZE 64
struct __attribute__((aligned(CACHE_LINE_SIZE))) cache_aligned_struct {
int data[16];
};
2. 分支预测优化
/**
* 分支预测优化
* 使用编译器提示提高执行效率
*/
// 静态分支预测
#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
void optimized_function(int *array, size_t size) {
if (unlikely(size == 0)) return;
for (size_t i = 0; likely(i < size); i++) {
process_element(array[i]);
}
}
3. 内联汇编优化
/**
* 内联汇编优化
* 直接使用CPU指令提高性能
*/
// 获取时间戳计数器
static inline uint64_t rdtsc(void) {
uint32_t lo, hi;
__asm__ __volatile__("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
return ((uint64_t)hi << 32) | lo;
}
// 内存屏障
#define MEMORY_BARRIER() __asm__ __volatile__("" ::: "memory")
4. SIMD优化
/**
* SIMD优化
* 利用向量指令并行处理数据
*/
#ifdef __SSE2__
#include <emmintrin.h>
void vector_add(float *a, float *b, float *result, size_t n) {
size_t i = 0;
for (; i + 4 <= n; i += 4) {
__m128 va = _mm_load_ps(&a[i]);
__m128 vb = _mm_load_ps(&b[i]);
__m128 vr = _mm_add_ps(va, vb);
_mm_store_ps(&result[i], vr);
}
// 处理剩余元素
for (; i < n; i++) {
result[i] = a[i] + b[i];
}
}
#endif
调试与测试技巧
1. 调试宏
/**
* 调试工具宏
* 提供便捷的调试和性能分析功能
*/
#ifdef DEBUG
#define DBG_PRINT(fmt, ...) \
fprintf(stderr, "[DEBUG] %s:%d: " fmt "\n", __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#define ASSERT(condition) \
do { \
if (!(condition)) { \
fprintf(stderr, "Assertion failed: %s at %s:%d\n", \
#condition, __FILE__, __LINE__); \
abort(); \
} \
} while(0)
#else
#define DBG_PRINT(fmt, ...) do {} while(0)
#define ASSERT(condition) do {} while(0)
#endif
// 性能计时
#define TIME_IT(code, result_var) \
do { \
clock_t start = clock(); \
code; \
result_var = ((double)(clock() - start)) / CLOCKS_PER_SEC; \
} while(0)
2. 单元测试框架
/**
* 单元测试框架
* 提供结构化的测试支持
*/
typedef struct {
const char *name;
void (*test_func)(void);
int passed;
int failed;
} test_case_t;
#define TEST_CASE(name) \
static void test_##name(void); \
static test_case_t test_case_##name = {#name, test_##name, 0, 0}; \
static void test_##name(void)
#define ASSERT_EQ(expected, actual) \
do { \
if ((expected) != (actual)) { \
fprintf(stderr, "Assertion failed: %s != %s at %s:%d\n", \
#expected, #actual, __FILE__, __LINE__); \
current_test->failed++; \
} else { \
current_test->passed++; \
} \
} while(0)
3. 内存泄漏检测
/**
* 内存泄漏检测
* 跟踪内存分配和释放
*/
#ifdef DEBUG_MEMORY
static size_t total_allocated = 0;
static size_t allocation_count = 0;
void* debug_malloc(size_t size, const char *file, int line) {
void *ptr = malloc(size + sizeof(size_t));
if (ptr) {
*(size_t*)ptr = size;
total_allocated += size;
allocation_count++;
printf("ALLOC: %zu bytes at %s:%d\n", size, file, line);
return (char*)ptr + sizeof(size_t);
}
return NULL;
}
void debug_free(void *ptr, const char *file, int line) {
if (ptr) {
size_t *size_ptr = (size_t*)((char*)ptr - sizeof(size_t));
total_allocated -= *size_ptr;
allocation_count--;
printf("FREE: %zu bytes at %s:%d\n", *size_ptr, file, line);
free(size_ptr);
}
}
#define malloc(size) debug_malloc(size, __FILE__, __LINE__)
#define free(ptr) debug_free(ptr, __FILE__, __LINE__)
#endif
跨平台编程
1. 平台抽象层
/**
* 平台抽象层
* 提供统一的跨平台接口
*/
// 线程抽象
#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
typedef HANDLE thread_t;
typedef CRITICAL_SECTION mutex_t;
#define THREAD_CREATE(thread, func, arg) \
(thread = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)func, arg, 0, NULL))
#define THREAD_JOIN(thread) WaitForSingleObject(thread, INFINITE)
#define MUTEX_INIT(mutex) InitializeCriticalSection(mutex)
#define MUTEX_LOCK(mutex) EnterCriticalSection(mutex)
#define MUTEX_UNLOCK(mutex) LeaveCriticalSection(mutex)
#else
#include <pthread.h>
typedef pthread_t thread_t;
typedef pthread_mutex_t mutex_t;
#define THREAD_CREATE(thread, func, arg) pthread_create(&thread, NULL, func, arg)
#define THREAD_JOIN(thread) pthread_join(thread, NULL)
#define MUTEX_INIT(mutex) pthread_mutex_init(mutex, NULL)
#define MUTEX_LOCK(mutex) pthread_mutex_lock(mutex)
#define MUTEX_UNLOCK(mutex) pthread_mutex_unlock(mutex)
#endif
2. 文件路径处理
/**
* 文件路径处理
* 提供跨平台的路径操作
*/
#ifdef _WIN32
#define PATH_SEPARATOR '\\'
#define PATH_SEPARATOR_STR "\\"
#else
#define PATH_SEPARATOR '/'
#define PATH_SEPARATOR_STR "/"
#endif
char* join_path(const char *dir, const char *file) {
size_t dir_len = strlen(dir);
size_t file_len = strlen(file);
char *result = malloc(dir_len + file_len + 2);
strcpy(result, dir);
if (dir[dir_len - 1] != PATH_SEPARATOR) {
strcat(result, PATH_SEPARATOR_STR);
}
strcat(result, file);
return result;
}
3. 字节序处理
/**
* 字节序处理
* 确保数据在网络传输中的正确性
*/
// 网络字节序转换
#if defined(__BYTE_ORDER__) && __BYTE_ORDER__ == __ORDER_BIG_ENDIAN__
#define IS_BIG_ENDIAN 1
#else
#define IS_BIG_ENDIAN 0
#endif
static inline uint32_t swap_endian_32(uint32_t val) {
return ((val & 0x000000FF) << 24) |
((val & 0x0000FF00) << 8) |
((val & 0x00FF0000) >> 8) |
((val & 0xFF000000) >> 24);
}
#define hton32(x) (IS_BIG_ENDIAN ? (x) : swap_endian_32(x))
#define ntoh32(x) hton32(x)
安全编程实践
1. 缓冲区溢出防护
/**
* 缓冲区溢出防护
* 提供安全的字符串操作函数
*/
// 安全字符串操作
size_t safe_strncpy(char *dest, size_t dest_size, const char *src, size_t count) {
if (dest_size == 0) return 0;
size_t copy_len = (count < dest_size - 1) ? count : dest_size - 1;
memcpy(dest, src, copy_len);
dest[copy_len] = '\0';
return copy_len;
}
// 格式化字符串安全检查
#define SAFE_PRINTF(buffer, size, format, ...) \
do { \
int __result = snprintf(buffer, size, format, ##__VA_ARGS__); \
if (__result < 0 || (size_t)__result >= size) { \
/* 处理溢出 */ \
buffer[size - 1] = '\0'; \
} \
} while(0)
2. 输入验证
/**
* 输入验证
* 防止恶意输入导致的安全问题
*/
// 整数溢出检查
static inline int safe_add(int a, int b, int *result) {
if ((b > 0 && a > INT_MAX - b) || (b < 0 && a < INT_MIN - b)) {
return -1; // 溢出
}
*result = a + b;
return 0;
}
// 指针验证
#define VALIDATE_PTR(ptr) \
do { \
if (!(ptr)) { \
return ERROR_INVALID_PARAM; \
} \
} while(0)
3. 安全随机数
/**
* 安全随机数生成
* 提供密码学安全的随机数
*/
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
// 密码学安全随机数（需要平台支持）
#ifdef __linux__
#include <sys/random.h>
int secure_random_bytes(void *buf, size_t len) {
return getrandom(buf, len, 0) == (ssize_t)len ? 0 : -1;
}
#else
// 简单的伪随机数生成器
static unsigned long long rand_state = 1;
void srand64(unsigned long long seed) {
rand_state = seed;
}
unsigned long long rand64(void) {
rand_state = rand_state * 6364136223846793005ULL + 1;
return rand_state;
}
#endif
综合演示示例
事件驱动架构演示
/**
* 事件驱动架构 - 事件类型定义
* 用于构建灵活的事件处理系统
*/
typedef enum {
EVENT_NONE = 0,
EVENT_TIMER,
EVENT_NETWORK,
EVENT_USER,
EVENT_SYSTEM
} event_type_t;
/**
* 事件结构体
* 包含事件类型、时间戳和用户数据
*/
typedef struct {
event_type_t type;
uint64_t timestamp;
void *data;
size_t data_size;
} event_t;
/**
* 事件处理器函数指针类型
* @param event 事件指针
* @param context 用户上下文
* @return 处理结果
*/
typedef int (*event_handler_t)(event_t *event, void *context);
/**
* 事件监听器结构体
* 存储事件类型和对应的处理器
*/
typedef struct {
event_type_t type;
event_handler_t handler;
void *context;
int priority; // 处理优先级
} event_listener_t;
/**
* 事件循环结构体
* 管理事件队列和监听器
*/
typedef struct {
event_listener_t *listeners;
size_t listener_count;
size_t listener_capacity;
event_t *event_queue;
size_t queue_head;
size_t queue_tail;
size_t queue_size;
size_t queue_capacity;
int running;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
} event_loop_t;
/**
* 创建事件循环
* @param queue_capacity 事件队列容量
* @return 事件循环指针
*/
event_loop_t* event_loop_create(size_t queue_capacity) {
event_loop_t *loop = calloc(1, sizeof(event_loop_t));
if (!loop) return NULL;
loop->queue_capacity = queue_capacity;
loop->event_queue = calloc(queue_capacity, sizeof(event_t));
if (!loop->event_queue) {
free(loop);
return NULL;
}
loop->listeners = calloc(16, sizeof(event_listener_t)); // 初始监听器容量
loop->listener_capacity = 16;
pthread_mutex_init(&loop->mutex, NULL);
pthread_cond_init(&loop->cond, NULL);
return loop;
}
/**
* 添加事件监听器
* @param loop 事件循环
* @param type 事件类型
* @param handler 事件处理器
* @param context 用户上下文
* @param priority 处理优先级
* @return 0成功，-1失败
*/
int event_loop_add_listener(event_loop_t *loop, event_type_t type,
event_handler_t handler, void *context, int priority) {
if (!loop || !handler) return -1;
pthread_mutex_lock(&loop->mutex);
// 扩展监听器数组
if (loop->listener_count >= loop->listener_capacity) {
size_t new_capacity = loop->listener_capacity * 2;
event_listener_t *new_listeners = realloc(loop->listeners,
new_capacity * sizeof(event_listener_t));
if (!new_listeners) {
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
return -1;
}
loop->listeners = new_listeners;
loop->listener_capacity = new_capacity;
}
// 添加新监听器
event_listener_t *listener = &loop->listeners[loop->listener_count++];
listener->type = type;
listener->handler = handler;
listener->context = context;
listener->priority = priority;
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
return 0;
}
/**
* 发布事件
* @param loop 事件循环
* @param event 事件指针
* @return 0成功，-1失败
*/
int event_loop_post(event_loop_t *loop, event_t *event) {
if (!loop || !event) return -1;
pthread_mutex_lock(&loop->mutex);
// 检查队列是否已满
if ((loop->queue_tail + 1) % loop->queue_capacity == loop->queue_head) {
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
return -1; // 队列已满
}
// 复制事件到队列
event_t *queue_event = &loop->event_queue[loop->queue_tail];
queue_event->type = event->type;
queue_event->timestamp = event->timestamp;
if (event->data && event->data_size > 0) {
queue_event->data = malloc(event->data_size);
if (queue_event->data) {
memcpy(queue_event->data, event->data, event->data_size);
queue_event->data_size = event->data_size;
} else {
queue_event->data_size = 0;
}
} else {
queue_event->data = NULL;
queue_event->data_size = 0;
}
loop->queue_tail = (loop->queue_tail + 1) % loop->queue_capacity;
pthread_cond_signal(&loop->cond);
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
return 0;
}
/**
* 事件循环主函数
* @param loop 事件循环
*/
void event_loop_run(event_loop_t *loop) {
if (!loop) return;
loop->running = 1;
while (loop->running) {
pthread_mutex_lock(&loop->mutex);
// 等待事件
while (loop->queue_head == loop->queue_tail && loop->running) {
pthread_cond_wait(&loop->cond, &loop->mutex);
}
if (!loop->running) {
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
break;
}
// 获取事件
event_t event = loop->event_queue[loop->queue_head];
loop->queue_head = (loop->queue_head + 1) % loop->queue_capacity;
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
// 处理事件
for (size_t i = 0; i < loop->listener_count; i++) {
if (loop->listeners[i].type == event.type ||
loop->listeners[i].type == EVENT_NONE) { // EVENT_NONE监听所有事件
loop->listeners[i].handler(&event, loop->listeners[i].context);
}
}
// 清理事件数据
if (event.data) {
free(event.data);
}
}
}
/**
* 停止事件循环
* @param loop 事件循环
*/
void event_loop_stop(event_loop_t *loop) {
if (!loop) return;
pthread_mutex_lock(&loop->mutex);
loop->running = 0;
pthread_cond_signal(&loop->cond);
pthread_mutex_unlock(&loop->mutex);
}
/**
* 销毁事件循环
* @param loop 事件循环
*/
void event_loop_destroy(event_loop_t *loop) {
if (!loop) return;
event_loop_stop(loop);
if (loop->listeners) {
free(loop->listeners);
}
// 清理事件队列中剩余的事件
while (loop->queue_head != loop->queue_tail) {
event_t *event = &loop->event_queue[loop->queue_head];
if (event->data) {
free(event->data);
}
loop->queue_head = (loop->queue_head + 1) % loop->queue_capacity;
}
if (loop->event_queue) {
free(loop->event_queue);
}
pthread_mutex_destroy(&loop->mutex);
pthread_cond_destroy(&loop->cond);
free(loop);
}
无锁队列实现
/**
* 无锁队列实现
* 使用CAS操作实现线程安全的无锁队列
*/
#include <stdatomic.h>
/**
* 队列节点结构
*/
typedef struct queue_node {
void *data;
_Atomic(struct queue_node*) next;
} queue_node_t;
/**
* 无锁队列结构
*/
typedef struct {
_Atomic(queue_node_t*) head;
_Atomic(queue_node_t*) tail;
atomic_size_t size;
} lockfree_queue_t;
/**
* 创建无锁队列节点
* @param data 节点数据
* @return 节点指针
*/
static queue_node_t* create_queue_node(void *data) {
queue_node_t *node = malloc(sizeof(queue_node_t));
if (node) {
node->data = data;
atomic_init(&node->next, NULL);
}
return node;
}
/**
* 创建无锁队列
* @return 队列指针
*/
lockfree_queue_t* lockfree_queue_create() {
lockfree_queue_t *queue = malloc(sizeof(lockfree_queue_t));
if (!queue) return NULL;
// 创建哨兵节点
queue_node_t *dummy = create_queue_node(NULL);
if (!dummy) {
free(queue);
return NULL;
}
atomic_init(&queue->head, dummy);
atomic_init(&queue->tail, dummy);
atomic_init(&queue->size, 0);
return queue;
}
/**
* 入队操作
* @param queue 队列
* @param data 数据
* @return 0成功，-1失败
*/
int lockfree_queue_enqueue(lockfree_queue_t *queue, void *data) {
if (!queue) return -1;
queue_node_t *node = create_queue_node(data);
if (!node) return -1;
queue_node_t *prev_tail = NULL;
queue_node_t *prev_tail_next = NULL;
while (1) {
prev_tail = atomic_load(&queue->tail);
prev_tail_next = atomic_load(&prev_tail->next);
// 检查tail是否一致
if (prev_tail == atomic_load(&queue->tail)) {
if (prev_tail_next == NULL) {
// tail是最后一个节点，尝试链接新节点
if (atomic_compare_exchange_weak(&prev_tail->next, &prev_tail_next, node)) {
break; // 成功
}
} else {
// tail不是最后一个节点，尝试推进tail
atomic_compare_exchange_weak(&queue->tail, &prev_tail, prev_tail_next);
}
}
}
// 推进tail
atomic_compare_exchange_weak(&queue->tail, &prev_tail, node);
atomic_fetch_add(&queue->size, 1);
return 0;
}
/**
* 出队操作
* @param queue 队列
* @param data 输出参数：出队数据
* @return 0成功，-1队列为空
*/
int lockfree_queue_dequeue(lockfree_queue_t *queue, void **data) {
if (!queue || !data) return -1;
queue_node_t *head = NULL;
queue_node_t *tail = NULL;
queue_node_t *next = NULL;
while (1) {
head = atomic_load(&queue->head);
tail = atomic_load(&queue->tail);
next = atomic_load(&head->next);
// 检查head是否一致
if (head == atomic_load(&queue->head)) {
if (head == tail) {
// 队列为空或只有一个哨兵节点
if (next == NULL) {
*data = NULL;
return -1; // 队列为空
}
// 队列正在变化，推进tail
atomic_compare_exchange_weak(&queue->tail, &tail, next);
} else {
// 读取数据
*data = next->data;
// 尝试推进head
if (atomic_compare_exchange_weak(&queue->head, &head, next)) {
atomic_fetch_sub(&queue->size, 1);
break;
}
}
}
}
free(head); // 释放旧的head节点
return 0;
}
/**
* 获取队列大小
* @param queue 队列
* @return 队列大小
*/
size_t lockfree_queue_size(lockfree_queue_t *queue) {
return atomic_load(&queue->size);
}
/**
* 销毁无锁队列
* @param queue 队列
*/
void lockfree_queue_destroy(lockfree_queue_t *queue) {
if (!queue) return;
// 清空队列
void *data;
while (lockfree_queue_dequeue(queue, &data) == 0) {
// 数据由调用者负责释放
}
// 释放哨兵节点
queue_node_t *head = atomic_load(&queue->head);
if (head) {
free(head);
}
free(queue);
}
缓存友好的数据结构
/**
* 缓存友好的数据结构实现
* 优化内存布局以提高缓存命中率
*/
/**
* 缓存行大小定义
*/
#define CACHE_LINE_SIZE 64
/**
* 缓存对齐宏
*/
#define CACHE_ALIGNED __attribute__((aligned(CACHE_LINE_SIZE)))
/**
* SoA (Structure of Arrays) 向量结构
* 将相关数据分离存储以提高缓存效率
*/
typedef struct {
float *x; // X坐标数组
float *y; // Y坐标数组
float *z; // Z坐标数组
int *id; // ID数组
size_t capacity; // 容量
size_t size; // 当前大小
char padding[CACHE_LINE_SIZE - sizeof(size_t)*2 - sizeof(char*)*4]; // 填充到缓存行边界
} soa_vector_t;
/**
* AoS (Array of Structures) 向量结构
* 传统结构体数组方式
*/
typedef struct {
float x, y, z;
int id;
} aos_point_t;
typedef struct {
aos_point_t *points;
size_t capacity;
size_t size;
char padding[CACHE_LINE_SIZE - sizeof(size_t)*2 - sizeof(void*)]; // 填充
} aos_vector_t;
/**
* 创建SoA向量
* @param initial_capacity 初始容量
* @return SoA向量指针
*/
soa_vector_t* soa_vector_create(size_t initial_capacity) {
soa_vector_t *vec = calloc(1, sizeof(soa_vector_t));
if (!vec) return NULL;
vec->capacity = initial_capacity;
vec->x = malloc(sizeof(float) * initial_capacity);
vec->y = malloc(sizeof(float) * initial_capacity);
vec->z = malloc(sizeof(float) * initial_capacity);
vec->id = malloc(sizeof(int) * initial_capacity);
if (!vec->x || !vec->y || !vec->z || !vec->id) {
soa_vector_destroy(vec);
return NULL;
}
return vec;
}
/**
* 创建AoS向量
* @param initial_capacity 初始容量
* @return AoS向量指针
*/
aos_vector_t* aos_vector_create(size_t initial_capacity) {
aos_vector_t *vec = calloc(1, sizeof(aos_vector_t));
if (!vec) return NULL;
vec->capacity = initial_capacity;
vec->points = malloc(sizeof(aos_point_t) * initial_capacity);
if (!vec->points) {
free(vec);
return NULL;
}
return vec;
}
/**
* SoA向量添加元素
* @param vec SoA向量
* @param x X坐标
* @param y Y坐标
* @param z Z坐标
* @param id ID
* @return 0成功，-1失败
*/
int soa_vector_push(soa_vector_t *vec, float x, float y, float z, int id) {
if (!vec) return -1;
// 检查是否需要扩容
if (vec->size >= vec->capacity) {
size_t new_capacity = vec->capacity * 2;
float *new_x = realloc(vec->x, sizeof(float) * new_capacity);
float *new_y = realloc(vec->y, sizeof(float) * new_capacity);
float *new_z = realloc(vec->z, sizeof(float) * new_capacity);
int *new_id = realloc(vec->id, sizeof(int) * new_capacity);
if (!new_x || !new_y || !new_z || !new_id) {
return -1;
}
vec->x = new_x;
vec->y = new_y;
vec->z = new_z;
vec->id = new_id;
vec->capacity = new_capacity;
}
size_t index = vec->size++;
vec->x[index] = x;
vec->y[index] = y;
vec->z[index] = z;
vec->id[index] = id;
return 0;
}
/**
* AoS向量添加元素
* @param vec AoS向量
* @param x X坐标
* @param y Y坐标
* @param z Z坐标
* @param id ID
* @return 0成功，-1失败
*/
int aos_vector_push(aos_vector_t *vec, float x, float y, float z, int id) {
if (!vec) return -1;
// 检查是否需要扩容
if (vec->size >= vec->capacity) {
size_t new_capacity = vec->capacity * 2;
aos_point_t *new_points = realloc(vec->points, sizeof(aos_point_t) * new_capacity);
if (!new_points) return -1;
vec->points = new_points;
vec->capacity = new_capacity;
}
aos_point_t *point = &vec->points[vec->size++];
point->x = x;
point->y = y;
point->z = z;
point->id = id;
return 0;
}
/**
* SoA向量批量处理（缓存友好）
* @param vec SoA向量
* @param processor 处理函数
* @param context 用户上下文
*/
void soa_vector_process(soa_vector_t *vec,
void (*processor)(float x, float y, float z, int id, void *context),
void *context) {
if (!vec || !processor) return;
// 分别处理每个数组，提高缓存命中率
for (size_t i = 0; i < vec->size; i++) {
processor(vec->x[i], vec->y[i], vec->z[i], vec->id[i], context);
}
}
/**
* AoS向量批量处理
* @param vec AoS向量
* @param processor 处理函数
* @param context 用户上下文
*/
void aos_vector_process(aos_vector_t *vec,
void (*processor)(float x, float y, float z, int id, void *context),
void *context) {
if (!vec || !processor) return;
// 处理结构体数组
for (size_t i = 0; i < vec->size; i++) {
aos_point_t *point = &vec->points[i];
processor(point->x, point->y, point->z, point->id, context);
}
}
/**
* 销毁SoA向量
* @param vec SoA向量
*/
void soa_vector_destroy(soa_vector_t *vec) {
if (!vec) return;
if (vec->x) free(vec->x);
if (vec->y) free(vec->y);
if (vec->z) free(vec->z);
if (vec->id) free(vec->id);
free(vec);
}
/**
* 销毁AoS向量
* @param vec AoS向量
*/
void aos_vector_destroy(aos_vector_t *vec) {
if (!vec) return;
if (vec->points) free(vec->points);
free(vec);
}
/**
* 性能测试结构
*/
typedef struct {
double soa_time;
double aos_time;
size_t elements_processed;
} performance_result_t;
安全字符串操作库
/**
* 安全字符串操作库
* 提供防止缓冲区溢出的安全字符串函数
*/
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
/**
* 安全字符串结构
* 包含长度信息以防止溢出
*/
typedef struct {
char *data;
size_t length;
size_t capacity;
int is_secure; // 是否启用安全检查
} secure_string_t;
/**
* 创建安全字符串
* @param initial_capacity 初始容量
* @param enable_security 是否启用安全检查
* @return 安全字符串指针
*/
secure_string_t* secure_string_create(size_t initial_capacity, int enable_security) {
secure_string_t *str = calloc(1, sizeof(secure_string_t));
if (!str) return NULL;
str->data = malloc(initial_capacity + 1); // +1 for null terminator
if (!str->data) {
free(str);
return NULL;
}
str->data[0] = '\0';
str->capacity = initial_capacity;
str->is_secure = enable_security;
return str;
}
/**
* 从C字符串创建安全字符串
* @param c_str C字符串
* @param enable_security 是否启用安全检查
* @return 安全字符串指针
*/
secure_string_t* secure_string_from_cstr(const char *c_str, int enable_security) {
if (!c_str) return NULL;
size_t len = strlen(c_str);
secure_string_t *str = secure_string_create(len, enable_security);
if (str) {
strncpy(str->data, c_str, str->capacity);
str->data[str->capacity] = '\0';
str->length = strlen(str->data);
}
return str;
}
/**
* 安全字符串追加
* @param str 目标字符串
* @param append_str 要追加的字符串
* @return 0成功，-1失败
*/
int secure_string_append(secure_string_t *str, const char *append_str) {
if (!str || !append_str) return -1;
size_t append_len = strlen(append_str);
size_t new_length = str->length + append_len;
// 检查是否需要扩容
if (new_length >= str->capacity) {
if (str->is_secure) {
// 安全模式：拒绝超出容量的操作
return -1;
} else {
// 非安全模式：自动扩容
size_t new_capacity = (new_length + 1) * 2;
char *new_data = realloc(str->data, new_capacity + 1);
if (!new_data) return -1;
str->data = new_data;
str->capacity = new_capacity;
}
}
// 执行追加
strncat(str->data, append_str, str->capacity - str->length);
str->length = strlen(str->data);
return 0;
}
/**
* 安全格式化字符串
* @param str 目标字符串
* @param format 格式字符串
* @param ... 可变参数
* @return 写入的字符数，-1失败
*/
int secure_string_printf(secure_string_t *str, const char *format, ...) {
if (!str || !format) return -1;
va_list args;
va_start(args, format);
// 首先计算需要的空间
va_list args_copy;
va_copy(args_copy, args);
int needed = vsnprintf(NULL, 0, format, args_copy);
va_end(args_copy);
if (needed < 0) {
va_end(args);
return -1;
}
// 检查容量
if ((size_t)needed >= str->capacity - str->length) {
if (str->is_secure) {
va_end(args);
return -1; // 容量不足
} else {
// 自动扩容
size_t new_capacity = str->length + needed + 1;
char *new_data = realloc(str->data, new_capacity + 1);
if (!new_data) {
va_end(args);
return -1;
}
str->data = new_data;
str->capacity = new_capacity;
}
}
// 执行格式化
int written = vsnprintf(str->data + str->length,
str->capacity - str->length,
format, args);
if (written >= 0) {
str->length += written;
}
va_end(args);
return written;
}
/**
* 安全字符串比较
* @param str1 字符串1
* @param str2 字符串2
* @return 比较结果
*/
int secure_string_compare(const secure_string_t *str1, const secure_string_t *str2) {
if (!str1 && !str2) return 0;
if (!str1) return -1;
if (!str2) return 1;
return strcmp(str1->data, str2->data);
}
/**
* 获取C字符串
* @param str 安全字符串
* @return C字符串指针
*/
const char* secure_string_cstr(const secure_string_t *str) {
return str ? str->data : NULL;
}
/**
* 获取字符串长度
* @param str 安全字符串
* @return 字符串长度
*/
size_t secure_string_length(const secure_string_t *str) {
return str ? str->length : 0;
}
/**
* 清空字符串
* @param str 安全字符串
*/
void secure_string_clear(secure_string_t *str) {
if (str && str->data) {
str->data[0] = '\0';
str->length = 0;
}
}
/**
* 销毁安全字符串
* @param str 安全字符串
*/
void secure_string_destroy(secure_string_t *str) {
if (!str) return;
if (str->data) {
// 安全清除内存
memset(str->data, 0, str->capacity);
free(str->data);
}
free(str);
}
/**
* 安全字符串池
* 管理多个安全字符串以提高性能
*/
typedef struct {
secure_string_t **strings;
size_t count;
size_t capacity;
pthread_mutex_t mutex;
} string_pool_t;
/**
* 创建字符串池
* @param initial_capacity 初始容量
* @return 字符串池指针
*/
string_pool_t* string_pool_create(size_t initial_capacity) {
string_pool_t *pool = calloc(1, sizeof(string_pool_t));
if (!pool) return NULL;
pool->strings = calloc(initial_capacity, sizeof(secure_string_t*));
if (!pool->strings) {
free(pool);
return NULL;
}
pool->capacity = initial_capacity;
pthread_mutex_init(&pool->mutex, NULL);
return pool;
}
综合演示函数
/**
* 事件驱动架构演示示例
*/
void demo_event_driven_architecture() {
printf("=== 事件驱动架构演示 ===\n");
// 创建事件循环
event_loop_t *loop = event_loop_create(100);
if (!loop) {
printf("Failed to create event loop\n");
return;
}
// 添加事件监听器
event_loop_add_listener(loop, EVENT_TIMER, timer_handler, NULL, 0);
event_loop_add_listener(loop, EVENT_NETWORK, network_handler, NULL, 0);
event_loop_add_listener(loop, EVENT_USER, user_handler, NULL, 0);
// 启动事件循环线程
pthread_t loop_thread;
pthread_create(&loop_thread, NULL, (void*(*)(void*))event_loop_run, loop);
// 发布一些测试事件
for (int i = 0; i < 5; i++) {
event_t event = {0};
event.timestamp = time(NULL);
// 发布不同类型的事件
switch (i % 3) {
case 0:
event.type = EVENT_TIMER;
printf("Posting timer event %d\n", i);
break;
case 1: {
event.type = EVENT_NETWORK;
const char *msg = "Hello Network!";
event.data = strdup(msg);
event.data_size = strlen(msg);
printf("Posting network event %d\n", i);
break;
}
case 2:
event.type = EVENT_USER;
event.data = malloc(sizeof(int));
*(int*)event.data = i;
event.data_size = sizeof(int);
printf("Posting user event %d\n", i);
break;
}
event_loop_post(loop, &event);
sleep(1);
}
// 清理事件数据
sleep(2);
// 停止并销毁事件循环
event_loop_stop(loop);
pthread_join(loop_thread, NULL);
event_loop_destroy(loop);
printf("=== 演示完成 ===\n\n");
}
/**
* 无锁队列演示示例
*/
void demo_lockfree_queue() {
printf("=== 无锁队列演示 ===\n");
// 初始化
queue = lockfree_queue_create();
atomic_init(&items_produced, 0);
atomic_init(&items_consumed, 0);
if (!queue) {
printf("Failed to create queue\n");
return;
}
// 创建生产者和消费者线程
pthread_t producers[NUM_PRODUCERS];
pthread_t consumers[NUM_CONSUMERS];
int producer_ids[NUM_PRODUCERS];
int consumer_ids[NUM_CONSUMERS];
// 启动生产者线程
for (int i = 0; i < NUM_PRODUCERS; i++) {
producer_ids[i] = i;
pthread_create(&producers[i], NULL, producer_thread, &producer_ids[i]);
}
// 启动消费者线程
for (int i = 0; i < NUM_CONSUMERS; i++) {
consumer_ids[i] = i;
pthread_create(&consumers[i], NULL, consumer_thread, &consumer_ids[i]);
}
// 等待所有线程完成
for (int i = 0; i < NUM_PRODUCERS; i++) {
pthread_join(producers[i], NULL);
}
for (int i = 0; i < NUM_CONSUMERS; i++) {
pthread_join(consumers[i], NULL);
}
// 显示结果
printf("Total produced: %d\n", atomic_load(&items_produced));
printf("Total consumed: %d\n", atomic_load(&items_consumed));
printf("Queue size: %zu\n", lockfree_queue_size(queue));
// 清理
lockfree_queue_destroy(queue);
printf("=== 演示完成 ===\n\n");
}
/**
* 缓存友好数据结构演示示例
*/
void demo_cache_friendly_structures() {
printf("=== 缓存友好数据结构演示 ===\n");
// 测试不同规模的数据
size_t test_sizes[] = {1000, 10000, 100000, 1000000};
int num_tests = sizeof(test_sizes) / sizeof(test_sizes[0]);
printf("%-10s %-12s %-12s %-10s\n", "Elements", "SoA Time(s)", "AoS Time(s)", "Speedup");
printf("------------------------------------------------\n");
for (int i = 0; i < num_tests; i++) {
performance_result_t result = test_performance(test_sizes[i]);
double speedup = result.aos_time / result.soa_time;
printf("%-10zu %-12.6f %-12.6f %-10.2fx\n",
result.elements_processed,
result.soa_time,
result.aos_time,
speedup);
}
printf("=== 演示完成 ===\n\n");
}
/**
* 安全字符串操作演示示例
*/
void demo_secure_strings() {
printf("=== 安全字符串操作演示 ===\n");
// 创建安全字符串（启用安全检查）
secure_string_t *str1 = secure_string_create(20, 1); // 安全模式
secure_string_t *str2 = secure_string_from_cstr("Hello", 1);
if (!str1 || !str2) {
printf("Failed to create secure strings\n");
return;
}
printf("Initial strings:\n");
printf("str1: '%s' (length: %zu)\n", secure_string_cstr(str1), secure_string_length(str1));
printf("str2: '%s' (length: %zu)\n", secure_string_cstr(str2), secure_string_length(str2));
// 安全追加
if (secure_string_append(str2, " World!") == 0) {
printf("After append: '%s'\n", secure_string_cstr(str2));
} else {
printf("Append failed (security check)\n");
}
// 安全格式化
if (secure_string_printf(str1, "Number: %d, String: %s", 42, "test") >= 0) {
printf("Formatted string: '%s'\n", secure_string_cstr(str1));
} else {
printf("Format failed (security check)\n");
}
// 尝试超出容量的操作（在安全模式下会失败）
printf("\nTesting security checks:\n");
if (secure_string_append(str1, "This is a very long string that exceeds capacity") == -1) {
printf("Security check prevented buffer overflow!\n");
}
// 字符串比较
secure_string_t *str3 = secure_string_from_cstr("Hello World!", 1);
printf("Comparison result: %d\n", secure_string_compare(str2, str3));
// 清理
secure_string_destroy(str1);
secure_string_destroy(str2);
secure_string_destroy(str3);
printf("=== 演示完成 ===\n\n");
}
// 综合演示函数
void run_all_demos() {
printf("C语言高级编程技巧演示\n");
printf("=====================\n\n");
// 运行所有演示
demo_event_driven_architecture();
demo_lockfree_queue();
demo_cache_friendly_structures();
demo_secure_strings();
printf("所有演示完成！\n");
}
附录：最佳实践总结
编码规范
- 命名约定：使用清晰的命名，避免缩写
- 注释风格：使用Doxygen风格注释
- 错误处理：始终检查返回值
- 内存管理：遵循RAII原则
- 线程安全：明确标识线程安全函数
性能优化原则
- 先测量后优化：使用性能分析工具
- 算法优先：选择合适的数据结构和算法
- 避免过早优化：保持代码可读性
- 缓存友好：考虑数据局部性
- 编译器优化：合理使用编译器优化选项
安全编码原则
- 输入验证：永远不要信任外部输入
- 边界检查：防止缓冲区溢出
- 最小权限：使用最小必要权限
- 安全函数：使用安全的字符串函数
- 代码审查：定期进行安全代码审查
这份完整的C语言高级编程技巧指南涵盖了从基础宏定义到复杂并发编程的所有重要方面，提供了丰富的代码示例和最佳实践，帮助开发者编写高质量、高性能、安全的C代码。
