跨越數(shù)據(jù)類型的重重陷阱

數(shù)據(jù)類型是編程語言中最基本的構(gòu)成元素，但卻是最易被忽略的一環(huán)，程序員愿意把幾乎100％的精力都花在算法研究、程序流控制等大環(huán)節(jié)上，卻很少在數(shù)據(jù)類型問題上反復(fù)斟酌。 
 
細(xì)節(jié)決定成敗，一個(gè)螺絲釘?shù)氖д`可能導(dǎo)致一個(gè)飛行器的毀滅，一個(gè)數(shù)據(jù)類型的錯(cuò)誤同樣可以讓龐大的軟件系統(tǒng)崩潰。 

MISRA—c中關(guān)于數(shù)據(jù)類型的規(guī)則主要分為兩個(gè)方面。一是數(shù)據(jù)類型相關(guān)的編程風(fēng)格；二是不同數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換，后者是重點(diǎn)。這里介紹MISRA_C關(guān)于數(shù)據(jù)類型的部分規(guī)則，更多的規(guī)則請參考《MISRA-C：2OO4)》一書。 

下文中凡是未加特殊說明的都是強(qiáng)制(required)規(guī)則．個(gè)別推薦(advisory)規(guī)則加了“推薦”標(biāo)識。 

在展開論述之前，先看兩個(gè)問題，讀者可以帶著疑問閱讀完本章內(nèi)容。

問題1：執(zhí)行以下程序，result_8的值是多少?
ulnt8_t porI=0x5a;
uint8一t resuh_8；
result_8=(～port)>>4;
／*注：uint8_t表示8位無符號整型*／

問題2：執(zhí)行以下程序，d的值是多少?
uintl6_t a=10；
uin|16_t b=6553l；
uint32_t c=0；
uint32_t d；
d=a+b+c；
／*注：uintl6_t表示16位無符號整型，uint32_t表示32位無符號整型*／ 


1 數(shù)據(jù)類型相關(guān)的編程風(fēng)格
規(guī)則6.3(推薦)：必須用typedef顯式標(biāo)識出各數(shù)據(jù)
類型的長度和符號特性，避免直接使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型。
例如，一個(gè)32位的整數(shù)系統(tǒng)，可定義如下：
typedef char chat_t；
typedef sigrled char int8_t；
typedef signed short intl6_t；
typedef signed int int32_t；
typedef signed long int64_t；
typedef unsitgned chat uint8_t；
typedef unsigned short uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned 1ong uint64_t； 

之所以用intl6_t和uint32_t等代替signed short和unsigned int等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型標(biāo)識符，是由于不同的編譯器對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型的長度定義是不一樣的。比如說一個(gè)16位系統(tǒng)，很可能就把short和int都定義成16位，long定義成32位，這與上文32位系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型的長度就不一致。用intl6_t和uint_32等標(biāo)識符來定義變量，一方面增加了程序的可讀性，使得程序員本人或其他讀者都能對程序中數(shù)據(jù)的具體信息胸有成竹；另一方面也有助于程序在不同系統(tǒng)之間的移植，節(jié)省開發(fā)時(shí)間，減少隱患。規(guī)則7 1：不得使用八進(jìn)制常數(shù)(O除外)或八進(jìn)制轉(zhuǎn)義符。
思考如下數(shù)組：
code[1]=109；
code[2]=100；
code[3]=O52
code[4]=O71；
／*注：八進(jìn)制常數(shù)須在最高位加O*／ 

code[3]的實(shí)際值是42(十進(jìn)制)，code[4]的實(shí)際值是57(十進(jìn)制)；但估計(jì)很多讀者會把code[3]認(rèn)成是52(十進(jìn)制)，code[4]認(rèn)成是7l(十進(jìn)制)。 

八進(jìn)制數(shù)在C程序中使用的頻率遠(yuǎn)小于十進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)，為了保證程序的可讀性和安全性，程序員不允許使用八進(jìn)制數(shù)以及八進(jìn)制轉(zhuǎn)義符。 


2  數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換 
如果程序員對數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換有很清晰的認(rèn)識，并且在必要的地方做了正確的顯式強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，那程序是安全的。但有時(shí)由于程序員的疏忽，或者是過于相信編譯器的“智慧”程度，導(dǎo)致表達(dá)式中有很多隱式轉(zhuǎn)換(即沒有顯式地強(qiáng)制轉(zhuǎn)換)，而這些隱式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換很可能就構(gòu)成致命的漏洞。MISRA—C中數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換規(guī)則的著眼點(diǎn)，即是避免有漏洞的隱式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 

在介紹MISRA—C關(guān)于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的部分規(guī)則之前，先介紹整型操作數(shù)的“平衡(balance)”原則。所謂整型操作數(shù)“平衡”原則，即對于隱式表達(dá)式，編譯器會按照既定規(guī)則對操作數(shù)進(jìn)行位數(shù)擴(kuò)充，其中int和unsiglled int在整型表達(dá)式“平衡”過程中占重要地位。 

下面分析一個(gè)簡單的隱式整型表達(dá)式c=a+b(假設(shè)a的存儲位數(shù)不大于b的存儲位數(shù))，編譯器是這樣來處理這個(gè)表達(dá)式的： 

如果b是短整型(即位數(shù)少于int，比如char、short等)或者整型(int或unsigned int)，那a也是短整型或者整型，執(zhí)行“+”運(yùn)算之前，a和b都將被擴(kuò)充為整型(int或者unsigned int)，然后相加的結(jié)果賦給c(如果c不是int或者unsigned int類型，則這個(gè)賦值操作也會包含隱式的擴(kuò)充或截?cái)嗖僮?。 

如果b是長整型(存儲位數(shù)多于int)，則a會被擴(kuò)充為與b相當(dāng)?shù)拈L整型，再執(zhí)行“+”運(yùn)算，所得結(jié)果賦給c(可能包含隱式的擴(kuò)充或截?cái)嗖僮?。 

絕大部分的操作符用于整型運(yùn)算的時(shí)候，都遵循上述“平衡”原則，比如：算術(shù)操作符、位操作符和關(guān)系運(yùn)算符。 

但邏輯操作符不遵循上述“平衡”原則。此外左移(<<)和右移(>>)運(yùn)算符也不遵循“平衡”原則，只和移位操作符左邊的整型操作數(shù)相關(guān)。假設(shè)一個(gè)8位的短整型變量值為Oxf5(十六進(jìn)制)，則右移4位所得結(jié)果是O xof(十六進(jìn)制)。 

明確了上述背景后，下面來關(guān)注本文一開始提出的“問題1”(代碼參見前文)。絕大部分擁有嵌人式C程序開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人都明白這段代碼的原意是將port的值取反后右移4位賦值給result_8(在用I／O口控制共陽的LED時(shí)經(jīng)常這么做)，程序員期望的結(jié)果顯然是resuIt_8=0xof。然而，由于整型的“平衡”原則，在16位編譯器中，～port的值是Oxffa5；在32位編譯器中，～pott的值是Oxffffffa5。無論哪種情況，最后結(jié)果(右移4位后賦值給result_8的時(shí)候有一個(gè)截?cái)嗖僮?都是resuIt_8=Oxfa，而非程序員預(yù)期的result_8=OxOf。 

倘若將最后一行代碼改成result一8=((uin8_t)(～port))>>4，則result_8可取得預(yù)期的值。 

針對以上情況，MISRA-c提出了相應(yīng)規(guī)則。 

規(guī)則10.5：如果位操作符～和移位操作符<<(或>>)聯(lián)合作用于unsigned char或者unsigned short類型的操作數(shù)時(shí)，中間運(yùn)算步驟的結(jié)果必須立刻顯式強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為預(yù)期的短整型數(shù)據(jù)類型。 

為了加深對“平衡”原則的理解，再來分析一下“問題2”。 

如果用一個(gè)32位的編譯器來編譯這段程序，最終結(jié)果是d=6554l，程序員“幸運(yùn)地”得到了預(yù)期的結(jié)果。如果是16位的編譯器，得到的結(jié)果卻是d=5。 

由于“+”運(yùn)算是左結(jié)合的，所以d=a+b+c等效于d=(a+b)+c，即先執(zhí)行a+b，所得的和再與c相加．最后結(jié)果賦值給d。問題就出在a+b這個(gè)中間步驟中。由于a和b都是16位整型(注意編譯器也是16位的)，故而a+b的結(jié)果也是16位整型，則a+b的值是Ox0005(有溢出)；再擴(kuò)充為32位整型Ox00000005和c相加賦值給d，d=5，這并非程序員預(yù)期的結(jié)果。 

所以，在16位編譯器中，問題2的那段代碼很可能導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤。當(dāng)然，如果程序員用()指定了運(yùn)算優(yōu)先級的話，即最后一行代碼寫成d=a+(b+c)，也可以避免上述溢出錯(cuò)誤，然而，這終究不是治本的辦法。只有明確每一個(gè)操作數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)類型，才能保障代碼的安全性。 

MISRA-C中對于表達(dá)式中存在隱式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的情況作了嚴(yán)格的限制。 

規(guī)則10.1：以下情況下，整型表達(dá)式中不允許出現(xiàn)隱式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。
    ①整型操作數(shù)不是被擴(kuò)充為更多位數(shù)的同符號整數(shù)；
    ②表達(dá)式是復(fù)雜表達(dá)式；
    ③表達(dá)式不是常數(shù)表達(dá)式，且是函數(shù)的參數(shù)；
    ④表達(dá)式不是常數(shù)表達(dá)式，且是函數(shù)的返回表達(dá)式。。 

規(guī)則10.2：以下情況下，浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)式中不允許出現(xiàn)隱式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。
    ①浮點(diǎn)型操作數(shù)不是被擴(kuò)充為更多位數(shù)的同符號浮點(diǎn)數(shù)；
    ②表達(dá)式是復(fù)雜表達(dá)式；
    ③表達(dá)式是函數(shù)的參數(shù)；
    ④表達(dá)式是函數(shù)的返回表達(dá)式。 

整型表達(dá)式規(guī)則和浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)式規(guī)則基本類似，只是浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)式規(guī)則更為苛刻一些，對浮點(diǎn)型的常數(shù)也作了嚴(yán)格的限定。 

這兩條規(guī)則中，出現(xiàn)了“復(fù)雜表達(dá)式”的概念。請注意，MISRA—C中“復(fù)雜表達(dá)式”的概念和其他介紹C編程規(guī)范書籍中“復(fù)雜表達(dá)式”的概念是不一樣的。在MISRA-C中，非“復(fù)雜表達(dá)式”基本只限制在常數(shù)表達(dá)式或者函數(shù)的返回值。為了明確上述規(guī)則中關(guān)于“復(fù)雜表達(dá)式”和“返回表達(dá)式”的概念，此處舉一例子。定義一個(gè)函數(shù)uintl6_t foo(void)，函數(shù)體如下：
uintl6_t foo(void){
return(a+b+c)； 

函數(shù)體中最后一句return(a+b+c)中的a+b+c是返回表達(dá)式。倘若在C程序的其他地方有a=foo()這樣的語句，則用的是foo()函數(shù)的返回值。在MISRA-c中，的資源，完成了采用USB接口技術(shù)的熱敏打印機(jī)的開發(fā)，并對打印頭作了充分的保護(hù)。通過采用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)這個(gè)賦值表達(dá)式不是“復(fù)雜表達(dá)式”。 

至于表達(dá)式作為函數(shù)參數(shù)等情況，礙于篇幅的原因，此處就不再詳細(xì)展開了。 

權(quán)衡一下利弊，在涉及到數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候，與其花很大力氣去區(qū)分一個(gè)隱式表達(dá)式是否在MISRA—C規(guī)則的“黑名單”中，還不如用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換符顯式地標(biāo)識出每個(gè)操作數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)類型，這是最為穩(wěn)妥的方法。總而言之，MISRA—C關(guān)于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換規(guī)則的中心意思，是要求程序員明確任意一個(gè)操作數(shù)的實(shí)際數(shù)據(jù)類型。 

3  小 結(jié) 
作為一名優(yōu)秀程序員，第一步就是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待程序中的每一個(gè)數(shù)據(jù)，明白任何一個(gè)數(shù)據(jù)操作的關(guān)鍵，從而能寫出最清晰易懂而又安全的代碼。MISRA—C關(guān)于數(shù)據(jù)類型的規(guī)則可保障程序員在邁出這一步的時(shí)候不會摔倒。