1 Introduction
Just refer to the following docs when needed:
C standards: https://www.c-language.org/.
The C Programming Language by K&R.
C Programing: A Modern Approach by K. N. King
2 Basics
This part is based on the classic K&R book. After you’ve got the basics down, the best way to improve is to read the original chapters over and over. I haven’t listed every single detail here because C and its ecosystem is incredibly deep — you’ll find something new every time you go back to the source and other materials.
2.1 C standards evolution
Classical C \(\rightarrow\) C89 \(\rightarrow\) C99 \(\rightarrow\) C11 \(\rightarrow\) C18 \(\rightarrow\) C23.
2.2 Prerequisites
2.2.1 Writing and running a C program
The basic structure of a simple C program:
/* Directives */
int main(void) {
/* Statements */
return 0;
}e.g.,
#include <stdio.h>
int main(void) {
printf("hello, world!\n");
return 0;
}Write the above source code into a file named hello.c.
Install Clang/LLVM using the following commands for Debian-based Linux distributions:
sudo apt update
sudo apt install clang lldb lldCompile and run hello.c:
# Syntax checking
clang -fsyntax-only hello.c
# Compiling with the highest optimization (-O3)
# and reporting all warnings (-Wall)
clang -Wall -O3 -o hello hello.c
# Run the executable file
./hello2.2.2 Concepts behind writing and running a C program
2.2.2.1 编译过程
在将 C 源码 hello.c 编译为可执行程序 hello 的过程中，经历了以下几个主要步骤：
预处理（Preprocessing）：预处理器（Preprocessor）根据
#开头的指令（Directive）修改源文件（文本级别的操作），如文本替换、头文件插入、条件编译等。生成后缀为.i的中间文件。编译（Compilation）：
编译（Compilation）：基于后缀为
.i的中间文件，将 C 源码翻译为汇编码（生成后缀为.s的中间文件）。汇编（Assembly）：通过汇编器（Assembler）将汇编码翻译为机器码（生成后缀为
.o或.obj的目标文件）。
- 链接（Linking）：
符号解析（Symbol resolution）：建立全局符号表，确保所有引用都已被定义。
重定位（Relocation）：在可执行文件的虚拟地址空间中，为所有来源的代码和数据（源文件，库文件等）分配全局统一的虚拟内存地址。最终生成一个可执行文件（Executable file）。
其中链接分为：
静态链接（Static linking）：从静态库（
.a/.lib，本质为一堆.o文件的打包集合）中将实际调用到的.o模块复制到可执行文件里。动态链接（Dynamic linking）：仅在可执行文件中记录来源库。在程序运行时，动态链接器将需要的库加载到内存中。
2.2.2.2 编译时与运行时
编译时（Compilation time）：编译器将源码编译成可执行文件的过程。
运行时（Runtime）：从操作系统加载程序到程序执行完毕的过程。
运行时环境（Runtime environment）：程序运行所依赖的“基础设施”。
2.2.2.3 Memory model
当程序被运行时，操作系统会为其分配一定大小的虚拟内存空间。为了高效管理，该虚拟内存空间会被严格划分为几块不同的区域（Segment）：
Code segment：存放程序执行代码。
Data segment & BSS segment：存放全局变量（Global variable）和静态变量（Static variable）。
- Data segment：存放已初始化且初始值非 0 的全局/静态变量。
这些变量的具体数值已经保存在可执行文件中，如 int g_var = 100;。
- BSS segment：存放未初始化或初始值为 0 的全局/静态变量。
这些变量在可执行文件中不占用磁盘空间，只记录一个总大小，如 int g_arr[100];。对于 BSS segment，在程序真正被执行之前（main 函数被调用之前），C 运行时环境自动把这块内存清零（即填充零值），因为 C 语言标准规定：全局/静态变量如果未被初始化，其默认值必须为 0（保证程序行为可预测，因为这块内存区域可能存在随机的非零值）。
- 栈（Stack）：存放局部变量，如函数参数和函数调用上下文。遵循 “last in, first out” 的原则。函数结束，自动销毁。这块内存的分配和释放由编译器自动生成的指令完成（即由编译器负责），其空间通常很小（默认几 MB，Linux 可通过命令
ulimit -s查看）。如果在栈上存放过大数据会导致栈溢出（Stack overflow），如超大数组和无限递归。
栈内存不会预先清零，因为其分配极其频繁。如果每次都清零，CPU 的性能损耗非常大。
为了实现栈内存的高性能，栈内存一般连续且容量有限且一般从高地址向低地址增长。这样 CPU 只需通过简单的指针移动（偏移量加减法）就能完成内存的分配和回收。另外，连续的内存有助于 CPU 预取与缓存（利用 CPU 自带的高速缓存）。CPU 的运行速度远远高于内存，否则 CPU 一直在等待内存。
栈溢出：程序申请使用的栈空间超过了操作系统的最大允许限度。
- 堆（Heap）：用于动态内存分配的巨大空间，完全由程序员手动管理，一般遵循谁申请（
malloc/calloc）、谁释放（free）的原则。适合处理大型数据和未知大小的数据。如果申请后忘了释放，就会导致内存泄漏（Memory leak）；如果释放后继续访问，就会导致悬空指针（Dangling pointer）。
内存泄漏：用完不释放。在程序运行的整个生命周期中，该内存区域将一直处于占用状态。对于长期运行的程序，可能导致内存耗尽（Out of Memory，OOM）。
悬空指针：一个指针指向的内存已经被释放了（free(p)），但是指针并未置空（p = NULL）。随后，程序又通过该指针读写内存，可能读到错误的数据或修改不该修改的数据。
2.2.2.4 Clang/LLVM compiler
- Preview preprocessed C:
# -E: only run the preprocessor
# -S: only run the preprocess and compilation steps
# -c: only run the preprocess, compile and assemble steps
clang -E -o - hello.c- Preview AST in text or binary mode:
AST：即抽象语法树（Abstract Syntax Tree），去除源码中与计算机逻辑无关的信息，以树的形式来表示程序源码及其逻辑。
# in text mode
clang -Xclang -ast-dump -E -o - hello.c
# in binary mode
# -emit-ast: emit Clang AST files for source inputs
# only run the parsing step and generate binary AST
clang -emit-ast -o hello.ast hello.c- Preview LLVM IR
# -emit-llvm: use the LLVM representation for assembler and object files
# unoptimized
clang -S -emit-llvm -o - hello.c
# optimized
clang -S -emit-llvm -O3 -o - hello.c- Preview native machine code
clang -S -O3 -o - hello.c