【嵌入式八股9】基础语法

1. register 关键字

在早期的 C++ 标准里，register 是一个特殊的关键字，其主要用途是向编译器提出建议，希望编译器将所声明的变量存储在寄存器中。寄存器是位于 CPU 内部的高速存储单元，相较于普通的内存，对寄存器中数据的访问速度要快得多，因为访问寄存器无需像访问内存那样经过一系列复杂的寻址操作，从而能够显著提高程序对变量的访问速度，进而提升程序的整体性能。

以下是一个简单示例：

#include <iostream>
int main() {
    register int num = 10;
    std::cout << num << std::endl;
    return 0;
}

不过，需要明确的是，使用 register 关键字声明变量，并不意味着该变量一定会被存储在寄存器中。编译器会综合考虑多种因素，如寄存器的可用性、变量的作用域等，来决定是否将变量存储在寄存器中。若编译器无法满足将变量存储在寄存器的要求，那么该变量将按照常规方式存储在内存中。

自 C++11 标准开始，register 关键字已被弃用。这是因为现代的编译器已经具备了非常强大的智能化优化能力，它们能够基于自身先进的优化算法以及对代码的深入分析，自动且精准地决定何时将变量存储在寄存器中，而无需开发人员再使用 register 关键字进行手动提示。所以，即便在代码中使用了 register 关键字，编译器也会直接忽略它，而是依据自身的优化策略来选择最佳的存储方式。

2. sizeof() 运算符

sizeof 运算符是 C 和 C++ 中一个非常实用的操作符，它主要用于计算数据类型或表达式所占用的字节数。其工作机制是在编译阶段，编译器会查找符号表，判断数据的类型，然后根据基础类型来确定并返回对应的字节数。

示例如下：

#include <iostream>
int main() {
    int num;
    std::cout << "int 类型占用字节数: " << sizeof(num) << std::endl;
    return 0;
}

然而，如果 sizeof 运算符的参数是一个不定长数组，情况就有所不同了。此时，编译器无法在编译时确定数组的长度，因此需要在运行时进行计算。

3. 字符设备与块设备

在嵌入式系统和操作系统中，字符设备和块设备是两种常见的设备类型，它们有着不同的功能和特点。

字符设备

字符设备主要用于操纵并读取硬件状态。它以字符为单位进行数据的传输和处理，数据的传输是连续的、无结构的。例如，键盘、鼠标、串口等设备都属于字符设备。字符设备通常用于实时性要求较高的场景，数据的读写操作是逐字符进行的。

块设备

块设备则主要具备存储功能，它以块（通常是扇区）为单位进行数据的读写操作。用户可以先将数据写入块设备，之后再进行读取。常见的块设备有硬盘、U盘等。块设备的数据传输效率较高，适合处理大量的数据存储和读取任务。

4. extern "C" 的作用

在 C++ 编程中，extern "C" 是一个非常重要的特性，其主要作用是实现 C++ 代码对 C 编写的模块的正确调用。

由于 C++ 支持函数重载和命名空间等特性，编译器在编译 C++ 代码时会对函数名进行修饰（Name Mangling），以保证函数名的唯一性。而 C 语言不支持这些特性，其函数名不会被修饰。因此，当 C++ 代码需要调用 C 编写的函数时，如果不使用 extern "C"，就会出现链接错误。

示例如下：

// C 代码，test.c
#include <stdio.h>
void hello() {
    printf("Hello from C!\n");
}

// C++ 代码，test.cpp
#include <iostream>
extern "C" {
    void hello();
}
int main() {
    hello();
    return 0;
}

5. 32 位与 64 位系统的区别

32 位系统和 64 位系统在多个方面存在显著差异，主要体现在 CPU 通用寄存器的数据宽度和寻址能力上。

CPU 通用寄存器的数据宽度

CPU 通用寄存器的数据宽度决定了 CPU 一次能够并行处理的二进制位数。32 位系统的 CPU 通用寄存器宽度为 32 位，即一次能够处理 32 位（4 字节）的数据；而 64 位系统的 CPU 通用寄存器宽度为 64 位，一次能够处理 64 位（8 字节）的数据。这使得 64 位系统在处理大规模数据和复杂计算时具有更高的效率。

寻址能力

寻址能力是指系统能够访问的内存地址范围。32 位系统的寻址能力有限，仅支持最大 4GB 的内存寻址。这是因为 32 位系统使用 32 位二进制数来表示内存地址，其最大可表示的地址数为 ，即 4GB。而 64 位系统的寻址能力则要强大得多，理论上可以支持高达 字节的内存寻址，这在处理大规模数据和运行复杂应用程序时具有明显的优势。

以下是不同数据类型在 32 位机和 64 位机上所占字节数的对比：

数据类型 32 位机（字节） 64 位机（字节）

char	1	1
short	2	2
int	4	4
long	4	8
float	4	4
char *	4	8
long long	8	8
double	8	8
long double	10/12	10/16

6. 大小端模式

在计算机系统中，数据的存储方式存在大端模式和小端模式两种。

大小端模式的定义

• 大端模式：在大端模式下，数据的高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。也就是说，数据的存储顺序与人们通常的书写顺序一致。
• 小端模式：小端模式则相反，数据的低位字节存储在低地址，高位字节存储在高地址。

例如，对于十六进制数 0x12345678，在大端模式和小端模式下的内存排布如下：

大端 小端

存储方式	高位存在低地址	高位存在高地址
内存排布 0x12345678	低地址 - 高地址：12 34 56 78	低地址 - 高地址：78 56 34 12

举个例子，假设有一个 32 位的整数 0x12345678，存储在内存中的方式如下：

• 大端模式：

地址 数据 0x00 0x12 0x01 0x34 0x02 0x56 0x03 0x78

- **小端模式**：

  ```Objective-C++
地址   数据
0x00   0x78
0x01   0x56
0x02   0x34
0x03   0x12

常见芯片的大小端模式

STM32 芯片采用的是小端模式。以 0x12345678 为例，在 STM32 的内存中，从低地址到高地址依次存储的是 78 56 34 12。

大小端模式的判断方法

#include <stdio.h>

// 方法一：使用共用体
union Un {
    int a;
    char b;
};

int is_little_endian1(void) {
    union Un un;
    un.a = 0x12345678;
    if (un.b == 0x78) {
        printf("小端\n");
    } else {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

// 方法二：使用指针
int is_little_endian2(void) {
    int a = 0x12345678;
    char b = *((char *)(&a));  // 指针方式其实就是共用体的本质
    if (b == 0x78) {
        printf("小端\n");
    } else {
        printf("大端\n");
    }
    return 0;
}

int main() {
    is_little_endian1();
    is_little_endian2();
    return 0;
}

大小端模式的转换方法

// 变为 u8 类型数组后位移拼接
#include <stdint.h>
static inline uint32_t lfs_fromle32(uint32_t a) {
    return (((uint8_t*)&a)[0] <<  0) |
           (((uint8_t*)&a)[1] <<  8) |
           (((uint8_t*)&a)[2] << 16) |
           (((uint8_t*)&a)[3] << 24);
}

7. 段错误

在 Linux 下的 C/C++ 编程中，段错误（Segmentation Fault）是一种常见且较为严重的错误，它通常是由于访问内存管理单元（MMU）异常所导致的。当程序试图访问一个不属于当前进程地址空间中的地址时，操作系统会进行干涉，引发 SIGSEGV 信号，从而产生段错误。

常见的段错误原因

• 空指针：程序尝试操作地址为 0 的内存区域。例如，对一个未初始化的指针进行解引用操作，就会导致空指针异常。

#include <stdio.h>
int main() {
    int *ptr = NULL;
    *ptr = 10;  // 会引发段错误
    return 0;
}

• 野指针：野指针是指指向一个已被释放或未分配内存的指针。访问野指针所指向的内存是不合法的，可能会导致数据被破坏或程序崩溃。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    free(ptr);
    *ptr = 10;  // 会引发段错误
    return 0;
}

• 堆栈越界：当程序访问数组或其他数据结构时，如果超出了其合法的边界范围，就会导致堆栈越界错误。这可能会破坏相邻的内存数据，从而引发段错误。

#include <stdio.h>
int main() {
    int arr[5];
    arr[10] = 10;  // 会引发段错误
    return 0;
}

• 修改只读数据：如果程序试图修改只读数据（如字符串常量），也会引发段错误。

#include <stdio.h>
int main() {
    char *str = "hello";
    str[0] = 'H';  // 会引发段错误
    return 0;
}

8. 局部变量未定义时初始化结果不确定的原因

在 C 和 C++ 中，当定义局部变量时，实际上是在栈中通过移动栈指针，为程序提供一个内存空间，并将这个空间与局部变量名进行绑定。由于栈内存是被反复使用的，每次使用完后并不会进行清零操作，所以这块内存空间可能还保留着上次使用时的数据，也就是所谓的“脏数据”。

因此，如果在定义局部变量时不进行初始化，那么该变量所占用的内存空间中的值就是一个随机的垃圾值，每次运行程序时这个值可能都不一样，这就导致了局部变量未定义时初始化结果的不确定性。

示例如下：

#include <stdio.h>
int main() {
    int num;
    printf("未初始化的局部变量 num 的值: %d\n", num);
    return 0;
}

9. printf 函数的返回值

printf 函数是 C 语言中常用的输出函数，它的返回值是实际输出的字符数量。这个返回值可以用来检查输出是否成功或者统计输出的字符数。

示例如下：

#include <stdio.h>
int main() {
    int count = printf("Hello, World!\n");
    printf("输出的字符数量: %d\n", count);
    return 0;
}

10. 可变长度数组（VLA）

在 C99 标准中，允许在函数