C11标准委员会成员解读C语言新标准

导读：C语言国际标准新的新草案之前已经公布，新标准提高了对C++的兼容性，并将新的特性增加到C语言中。此外支持多线程的功能也受到了开发者的关注，基于ISO/IEC TR 19769:2004规范下支持Unicode，提供更多用于查询浮点数类型特性的宏定义和静态声明功能。根据草案规定，最新发布的标准草案修订了许多特性，支持当前的编译器。(背景:C编程语言的标准化委员会（ISO/IEC JTC1/SC22/WG14）已完成了C标准的主要修订，该标准的早期版本于1999年完成，俗称为“C99”。新标准在去年年底完成，也被称为“C11”。)

本文作者Tom Plum是Plum Hall Inc.的技术工程副总监，也是C11和C++11标准委员会的成员，他在这篇文章里从语言集的atomic操作和线程原语开始探讨了C语言的新特性，在文章末尾还讨论了C11与C++兼容性问题。此外，在本文和它的姊妹篇里，作者还描述了C11的新功能、并发性、安全性和易用性等话题。

并发

C11的标准化了可能运行在多核平台上的多线程程序的语义，使用atomic变量让线程间通信更轻量。

头文件<threads.h>提供宏、类型以及支持多线程的函数。下面是宏、类型和枚举常量的摘要总结：

    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。 

    通过枚举常量：

  1. mtx_init: mtx_plain, mtx_recursive, mtx_timed。 

    线程枚举常量：

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

    条件变量的函数：

  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); 

    互斥函数：

  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); 

    线程函数：

  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); 

    特定于线程的存储功能：

  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); 

这些标准库函数可能更适合作为易用的API的基础而不是开发平台来使用。例如，使用这些低级库的函数时，很容易造成数据竞争，多个进程会不同步地对同一个位置的数据进行操作。C（和C++）标准允许任何行为，即使会发生争用同一个变量x，哪怕会导致严重的后果。例如，多字节值x可能被一个线程修改部分字节，而另一个线程又会修改别的部分（值撕裂），或者产生一些其它的副作用。

下面一个简单的示例程序，它包含一个数据竞争，其中64位的整数x会同时被两个线程改动。

  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. }  

如果你的应用已经符合C11的标准，并且将它在一个32位的机器编译过了（在64位机器里long long类型会占用两倍以上的存储周期），你将会看到数据竞争的结果，得到像下面乱码一样的输出：

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

传统的解决方案是通过创建一个锁来解决数据竞争。然而，用atomic数据有时会更高效。加载和存储atomic类型循序渐进、始终如一。特别是如果线程1存储了一个值名为x的atomic类型变量，线程2读取该值时则可以看到之前在线程1中运行的所有其它存储（即使是非atomic对象）。（C11和C++11标准还提供其他内存一致性的模型，虽然专家提醒要远离它们。）

新的头文件<stdatomic.h>提供了很多命名类和函数来操作atomic数据的大集。例如，atomic_llong就是一个为操作atomic long long整数的类型。所有的整数类都提供了相似的命名。该标准包括一个ATOMIC_VAR_INIT(n)宏，用来初始化atomic整数，如下：

之前的数据竞争的例子可以通过定义x为一个atomic_llong类型的变量解决。简单地改变一下上述例子中声明x的那行语句：

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

通过使用这样的atomic变量，代码在运行中不会出现任何数据竞争的问题。

注意关键字

C委员会并不希望在用户命名空间里创建新的关键字，每个新的C版本都一直在避免出现不兼容之前版本C程序的问题。相比之下，C++委员会（WG21）更喜欢创造新的关键字，例如：C++11定义一个新的thread_local关键字来指定一个线程的本地静态存储，C11使用_Thread_local来代替，在C11新的头文件<threads.h>中有一个宏定义来提供normal-looking name：

  1. #define   thread_local    _Thread_local 

下面我将假设你已经引入例如适当的头文件，所以我会显示normal-looking name。

thread_local存储类

新thread_local存储类为每个线程提供一个单独的静态存储，并且在线程运行之前初始化。但有没有保障措施来防止你捕获一个thread_local变量的地址，并把它传递给其他线程，然后明确实现（即，不便携/不可移植），每个线程在thread_local都有它自己的errno存储副本。

线程可选

C11已指定为多种特色为可选功能，例如：如果它明确实现了一个名为 _ _STDC_NO_THREADS_ _ 的宏，就不会提供一个头名为<threads.h>的头文件，也不可能在其中定义任何函数。

设计准则

作为通则，WG21委托Bjarne Stroustrup整体设计和进化的责任，不明白的话可以在网上搜索“camel is a horse designed by committee”。然而，有一个WG14和WG21同样遵循的设计原则：不要给任何系统编程语言比我们（C/C++）更高效的机会！

一些与会者（称他们为“A组”）认为atomic数据仍将是一个很少使用的专业性功能，但其他人（称他们为“B组”）认为，atomic数据将成为一个重要的功能，至少会在一种系统编程语言中被应用。

在过去的几十年里，很多更高级别的语言都是基于C语言创建的（Java,C#,ObjectiveC，当然，也包括C++）和C++子集或超集（如D和嵌入式C++）。许多参与WG14和WG21的公司已经决定使用这些语言作为自己的应用的编程语言（称他们为“C组”）。这些公司之所以选择C++作为他们的上层应用程序的语言，通常是因为C足够稳定（或者说是因为WG21控制其标准化），而选择其他语言的公司（称他们为“D组”）通常认为C是他们所使用的高级语言非常重要的基石。

有了这些背景，我可以得出一个C11中atomic进化的理由。C++11中对atomic的设计充分运用了模板。比如atomic<T>是获得任何一种类型T的简单且常用的方法。即使T是一个类或结构，那么无论T*指向哪儿，atomic<T*>都会保存类型信息，但是，几年来，C语言的设计依然只用了几十种命名类型（如上所示的atomic_llong）。这样做的主要优点在于：它不需要编译器做任何改变。它能够实现一个仅库的解决方案，会在最低水平调用系统依赖的原生函数。然而命名类型的解决方案干挠了为C结构或者T*指针创建atomic（无论多么小）。主要因为B组和D组的意见，WG14决定要求C11编译器为任何类型的T识别atomicT。

后来也有一个WG14内部的关于编译器识别atomicT语法的争论。一种使用atomic-parenthesis的解决方案因为和C++良好的兼容性而被推动。Let _Atomic(T)成为了指定atomicT的语法。同样的源程序能够简单地在C++定义宏中编译。

  1. #define _Atomic(T)    atomic<T> 

另一种相反的观点认为应该创建新的类限制符（类似于C99的_Complex的解决方案）;使用"atomic-space"语法，atomic T类型应该被写为“_Atomic T”。使用这种语法的程序型的程序无法立刻被当作C++来编译。（无兼容性宏，本质上看起来像atomic-parenthesis的方法）。

获取C11标准

新标准可以在webstore.ansi.org查看（或者搜索"ISO/IEC 9899:2011"）。现在已经有了PDF文档，但是需要支付$285（和C++2011一样）才可以使用。一旦这些标准被ANSI采纳为美国国家标准，价格将下降至$30左右。

你可以定期检查此页面的部分，我及时检查草案的状态，如果您填写了这个Web表单，将会在C11和C++11被ANSI采用为标准时获得电子邮件通知。也可以通过tplum@plumhall.com联系我，非常感谢来自Pete Becker（C++2011标准的项目编辑）的建设性建议。

原文链接：drdobbs.com

更多关于C11的变更可以参考维基百科


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