C11標準委員會成員解讀C語言新標準

導讀：C語言國際標準新的新草案之前已經公布，新標準提高了對C++的兼容性，并將新的特性增加到C語言中。此外支持多線程的功能也受到了開發者的關注，基于ISO/IEC TR 19769:2004規范下支持Unicode，提供更多用于查詢浮點數類型特性的宏定義和靜態聲明功能。根據草案規定，最新發布的標準草案修訂了許多特性，支持當前的編譯器。(背景:C編程語言的標準化委員會（ISO/IEC JTC1/SC22/WG14）已完成了C標準的主要修訂，該標準的早期版本于1999年完成，俗稱為“C99”。新標準在去年年底完成，也被稱為“C11”。)

本文作者Tom Plum是Plum Hall Inc.的技術工程副總監，也是C11和C++11標準委員會的成員，他在這篇文章里從語言集的atomic操作和線程原語開始探討了C語言的新特性，在文章末尾還討論了C11與C++兼容性問題。此外，在本文和它的姊妹篇里，作者還描述了C11的新功能、并發性、安全性和易用性等話題。

并發

C11的標準化了可能運行在多核平臺上的多線程程序的語義，使用atomic變量讓線程間通信更輕量。

頭文件<threads.h>提供宏、類型以及支持多線程的函數。下面是宏、類型和枚舉常量的摘要總結：

??? 宏：

  1. thread_local,?ONCE_FLAG,?TSS_DTOR_ITERATIONS?cnd_t?thrd_t,?tss_t,?mtx_t,?tss_dtor_t,?thrd_start_t,?once_flag。?

??? 通過枚舉常量：

  1. mtx_init:?mtx_plain,?mtx_recursive,?mtx_timed。?

??? 線程枚舉常量：

  1. thrd_timedout,?thrd_success,?thrd_busy,?thrd_error,?thrd_nomem。?

??? 條件變量的函數：

  1. call_once(once_flag?*flag,?void?(*func)(void));?
  2. cnd_broadcast(cnd_t?*cond);?
  3. cnd_destroy(cnd_t?*cond);?
  4. cnd_init(cnd_t?*cond);?
  5. cnd_signal(cnd_t?*cond);?
  6. cnd_timedwait(cnd_t?*restrict?cond,?mtx_t?*restrict?mtx,?const?struct?timespec?*restrict?ts);?
  7. cnd_wait(cnd_t?*cond,?mtx_t?*mtx);?

??? 互斥函數：

  1. void?mtx_destroy(mtx_t?*mtx);?
  2. int?mtx_init(mtx_t?*mtx,?int?type);?
  3. int?mtx_lock(mtx_t?*mtx);?
  4. int?mtx_timedlock(mtx_t?*restrict?mtx;?
  5. const?struct?timespec?*restrict?ts);?
  6. int?mtx_trylock(mtx_t?*mtx);?
  7. int?mtx_unlock(mtx_t?*mtx);?

??? 線程函數：

  1. int?thrd_create(thrd_t?*thr,?thrd_start_t?func,?void?*arg);?
  2. thrd_t?thrd_current(void);?
  3. int?thrd_detach(thrd_t?thr);?
  4. int?thrd_equal(thrd_t?thr0,?thrd_t?thr1);?
  5. noreturn?void?thrd_exit(int?res);?
  6. int?thrd_join(thrd_t?thr,?int?*res);?
  7. int?thrd_sleep(const?struct?timespec?*duration,?struct?timespec?*remaining);?
  8. void?thrd_yield(void);?

??? 特定于線程的存儲功能：

  1. int?tss_create(tss_t?*key,?tss_dtor_t?dtor);?
  2. void?tss_delete(tss_t?key);?
  3. void?*tss_get(tss_t?key);?
  4. int?tss_set(tss_t?key,?void?*val);?

這些標準庫函數可能更適合作為易用的API的基礎而不是開發平臺來使用。例如，使用這些低級庫的函數時，很容易造成數據競爭，多個進程會不同步地對同一個位置的數據進行操作。C（和C++）標準允許任何行為，即使會發生爭用同一個變量x，哪怕會導致嚴重的后果。例如，多字節值x可能被一個線程修改部分字節，而另一個線程又會修改別的部分（值撕裂），或者產生一些其它的副作用。

下面一個簡單的示例程序，它包含一個數據競爭，其中64位的整數x會同時被兩個線程改動。

  1. #include?<threads.h>?
  2. #include?<stdio.h>?
  3. #define?N?100000?
  4. char?buf1[N][99]={0},?buf2[N][99]={0};?
  5. long?long?old1,?old2,?limit=N;?
  6. long?long?x?=?0;?
  7. ??
  8. static?void?do1()??{?
  9. ???long?long?o1,?o2,?n1;?
  10. ???for?(long?long?i1?=?1;?i1?<?limit;?++i1)?{?
  11. ??????old1?=?x,?x?=?i1;?
  12. ??????o1?=?old1;??o2?=?old2;?
  13. ??????if?(o1?>?0)?{?//?x?was?set?by?this?thread?
  14. ?????????if?(o1?!=?i1-1)?
  15. ????????????sprintf(buf1[i1],?"thread?1:?o1=%7lld,?i1=%7lld,?o2=%7lld",?
  16. ?????????????????????o1,?i1,?o2);?
  17. ??????}?else?{??????//?x?was?set?by?the?other?thread?
  18. ?????????n1?=?x,?x?=?i1;?
  19. ?????????if?(n1?<?0?&&?n1?>?o1)?
  20. ????????????sprintf(buf1[i1],?"thread?1:?o1=%7lld,?i1=%7lld,?n1=%7lld",?
  21. ?????????????????????o1,?i1,?n1);?
  22. ??????}?????????
  23. ???}?
  24. }?
  25. ??
  26. static?void?do2()??{?
  27. ???long?long?o1,?o2,?n2;?
  28. ???for?(long?long?i2?=?-1;?i2?>?-limit;?--i2)?{?
  29. ??????old2?=?x,?x?=?i2;?
  30. ??????o1?=?old1;?o2?=?old2;?
  31. ??????if?(o2?<?0)?{?//?x?was?set?by?this?thread?
  32. ?????????if?(o2?!=?i2+1)?
  33. ????????????sprintf(buf2[-i2],?"thread?2:?o2=%7lld,?i2=%7lld,?o1=%7lld",?
  34. ?????????????????????o2,?i2,?o1);?
  35. ??????}?else?{??????//?x?was?set?by?the?other?thread?
  36. ?????????n2?=?x,?x?=?i2;?
  37. ?????????if?(n2?>?0?&&?n2?<?o2)?
  38. ????????????sprintf(buf2[-i2],?"thread?2:?o2=%7lld,?i2=%7lld,?n2=%7lld",?
  39. ?????????????????????o2,?i2,?n2);?
  40. ??????}?
  41. ???}?
  42. }?
  43. ??
  44. int?main(int?argc,?char?*argv[])?
  45. {?
  46. ???thrd_t?thr1;?
  47. ???thrd_t?thr2;?
  48. ???thrd_create(&thr1,?do1,?0);?
  49. ???thrd_create(&thr2,?do2,?0);?
  50. ???thrd_join(&thr2,?0);?
  51. ???thrd_join(&thr1,?0);?
  52. ???for?(long?long?i?=?0;?i?<?limit;?++i)?{?
  53. ??????if?(buf1[i][0]?!=?'\0')?
  54. ?????????printf("%s\n",?buf1[i]);?
  55. ??????if?(buf2[i][0]?!=?'\0')?
  56. ?????????printf("%s\n",?buf2[i]);?
  57. ???}?
  58. ???return?0;?
  59. }??

如果你的應用已經符合C11的標準，并且將它在一個32位的機器編譯過了（在64位機器里long long類型會占用兩倍以上的存儲周期），你將會看到數據競爭的結果，得到像下面亂碼一樣的輸出：

  1. thread?2:?o2=-4294947504,?i2=????-21,?o1=??19792?

傳統的解決方案是通過創建一個鎖來解決數據競爭。然而，用atomic數據有時會更高效。加載和存儲atomic類型循序漸進、始終如一。特別是如果線程1存儲了一個值名為x的atomic類型變量，線程2讀取該值時則可以看到之前在線程1中運行的所有其它存儲（即使是非atomic對象）。（C11和C++11標準還提供其他內存一致性的模型，雖然專家提醒要遠離它們。）

新的頭文件<stdatomic.h>提供了很多命名類和函數來操作atomic數據的大集。例如，atomic_llong就是一個為操作atomic long long整數的類型。所有的整數類都提供了相似的命名。該標準包括一個ATOMIC_VAR_INIT(n)宏，用來初始化atomic整數，如下：

之前的數據競爭的例子可以通過定義x為一個atomic_llong類型的變量解決。簡單地改變一下上述例子中聲明x的那行語句：

  1. #include?<stdatomic.h>?
  2. atomic_llong?x?=?ATOMIC_VAR_INIT(0);?

通過使用這樣的atomic變量，代碼在運行中不會出現任何數據競爭的問題。

注意關鍵字

C委員會并不希望在用戶命名空間里創建新的關鍵字，每個新的C版本都一直在避免出現不兼容之前版本C程序的問題。相比之下，C++委員會（WG21）更喜歡創造新的關鍵字，例如：C++11定義一個新的thread_local關鍵字來指定一個線程的本地靜態存儲，C11使用_Thread_local來代替，在C11新的頭文件<threads.h>中有一個宏定義來提供normal-looking name：

  1. #define???thread_local????_Thread_local?

下面我將假設你已經引入例如適當的頭文件，所以我會顯示normal-looking name。

thread_local存儲類

新thread_local存儲類為每個線程提供一個單獨的靜態存儲，并且在線程運行之前初始化。但有沒有保障措施來防止你捕獲一個thread_local變量的地址，并把它傳遞給其他線程，然后明確實現（即，不便攜/不可移植），每個線程在thread_local都有它自己的errno存儲副本。

線程可選

C11已指定為多種特色為可選功能，例如：如果它明確實現了一個名為 _ _STDC_NO_THREADS_ _ 的宏，就不會提供一個頭名為<threads.h>的頭文件，也不可能在其中定義任何函數。

設計準則

作為通則，WG21委托Bjarne Stroustrup整體設計和進化的責任，不明白的話可以在網上搜索“camel is a horse designed by committee”。然而，有一個WG14和WG21同樣遵循的設計原則：不要給任何系統編程語言比我們（C/C++）更高效的機會！

一些與會者（稱他們為“A組”）認為atomic數據仍將是一個很少使用的專業性功能，但其他人（稱他們為“B組”）認為，atomic數據將成為一個重要的功能，至少會在一種系統編程語言中被應用。

在過去的幾十年里，很多更高級別的語言都是基于C語言創建的（Java,C#,ObjectiveC，當然，也包括C++）和C++子集或超集（如D和嵌入式C++）。許多參與WG14和WG21的公司已經決定使用這些語言作為自己的應用的編程語言（稱他們為“C組”）。這些公司之所以選擇C++作為他們的上層應用程序的語言，通常是因為C足夠穩定（或者說是因為WG21控制其標準化），而選擇其他語言的公司（稱他們為“D組”）通常認為C是他們所使用的高級語言非常重要的基石。

有了這些背景，我可以得出一個C11中atomic進化的理由。C++11中對atomic的設計充分運用了模板。比如atomic<T>是獲得任何一種類型T的簡單且常用的方法。即使T是一個類或結構，那么無論T*指向哪兒，atomic<T*>都會保存類型信息，但是，幾年來，C語言的設計依然只用了幾十種命名類型（如上所示的atomic_llong）。這樣做的主要優點在于：它不需要編譯器做任何改變。它能夠實現一個僅庫的解決方案，會在最低水平調用系統依賴的原生函數。然而命名類型的解決方案干撓了為C結構或者T*指針創建atomic（無論多么小）。主要因為B組和D組的意見，WG14決定要求C11編譯器為任何類型的T識別atomicT。

后來也有一個WG14內部的關于編譯器識別atomicT語法的爭論。一種使用atomic-parenthesis的解決方案因為和C++良好的兼容性而被推動。Let _Atomic(T)成為了指定atomicT的語法。同樣的源程序能夠簡單地在C++定義宏中編譯。

  1. #define?_Atomic(T)????atomic<T>?

另一種相反的觀點認為應該創建新的類限制符（類似于C99的_Complex的解決方案）;使用"atomic-space"語法，atomic T類型應該被寫為“_Atomic T”。使用這種語法的程序型的程序無法立刻被當作C++來編譯。（無兼容性宏，本質上看起來像atomic-parenthesis的方法）。

獲取C11標準

新標準可以在webstore.ansi.org查看（或者搜索"ISO/IEC 9899:2011"）。現在已經有了PDF文檔，但是需要支付$285（和C++2011一樣）才可以使用。一旦這些標準被ANSI采納為美國國家標準，價格將下降至$30左右。

你可以定期檢查此頁面的部分，我及時檢查草案的狀態，如果您填寫了這個Web表單，將會在C11和C++11被ANSI采用為標準時獲得電子郵件通知。也可以通過tplum@plumhall.com聯系我，非常感謝來自Pete Becker（C++2011標準的項目編輯）的建設性建議。

原文鏈接：drdobbs.com

更多關于C11的變更可以參考維基百科


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