Mdr-C-Tutorial

24. 标准版本、可选能力与扩展 ​

C 标准中有一部分特性是可选的，实现可以不提供。使用这些特性之前，应先在编译期检查实现是否支持。

本节可跳过

这些内容在不同工具链上的支持度差异较大，且不少项目不会用到。若当前目标是先掌握主线语法，可以先跳过，后续按需回看。

本章的完整目录：

  1. 24.1 运算符宏：<iso646.h> 提供的运算符拼写。
  2. 24.2 代用记号：部分标点的替代拼写。

1. Annex K 与 __STDC_WANT_LIB_EXT1__ ​

C11 引入了可选的边界检查接口族（常见为 *_s）。启用方式通常是在包含相关头文件前定义 __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 为 1，然后再通过 __STDC_LIB_EXT1__ 判断实现是否真的提供了这组接口。

c
#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1
#include <string.h>

#if defined(__STDC_LIB_EXT1__)
/* 可使用 memcpy_s / strcpy_s 等接口 */
#endif

2. 其他可选特性的检查 ​

并发、原子等可选特性，实现不支持时会定义相应的宏，例如 __STDC_NO_THREADS__、__STDC_NO_ATOMICS__。用 #ifdef 检查这些宏，缺少的支持在编译期就能发现。

3. 习题 ​

3.1 巩固 ​

#12401
⚡2⏳2

正文说「启用方式通常是在包含相关头文件前定义 __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 为 1」，这个「之前」不是风格要求，而是预处理顺序决定的。

要求：

  1. 写一个程序，在 #include <string.h> 之后才写 #define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1，然后用 #if defined(__STDC_LIB_EXT1__) 判断并向标准输出打印 Annex K visible 或 Annex K not visible。
  2. 把 #define 移到 #include 之前，再编译运行一次。
  3. 用 gcc -E 预处理两次，比较输出里 string.h 展开后的内容有什么不同，说明为什么两次的宏判断结果相同或不同。
  4. 在报告里写明你这台机器上两次运行的结果。本机 MinGW-w64 GCC 13.2 与 Linux 上的 GCC 14.2 都输出 Annex K not visible，也就是两次一样。这不是程序写错了，而是两个实现都没有提供 Annex K。

验收：能说清「在包含头文件前定义」生效的原因，并解释「两次结果一样」与「两次结果不一样」分别对应什么实现。

#12402
⚡3⏳2

写一个可移植的字符串复制函数，实现放在一个 .c 文件里，接口放在头文件里：

c
/* 成功返回 0；dstsize 为 0 或内容放不下时返回 -1。
   dstsize 大于 0 时，无论成功还是失败，dst 都以 '\0' 结尾。 */
int copy_string(char *dst, size_t dstsize, const char *src);

要求：

  1. 文件开头定义 __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 为 1，并在包含 <string.h> 之后用 #if defined(__STDC_LIB_EXT1__) 决定走哪条路。
  2. 有 Annex K 时调用 strcpy_s，把它的返回值折算成 0 或 -1。
  3. 没有 Annex K 时手写循环复制，放不下时不写入内容，把 dst[0] 置为 '\0' 并返回 -1。
  4. dstsize 为 0 时直接返回 -1，不能写 dst。指针为空的检查也加上。
  5. 用 gcc -std=c17 -Wall -Wextra 编译，再用 -D__STDC_LIB_EXT1__=201112L 编译一次，看两条路径能否都编过。这一步的结果正好说明了正文那句话的分量：宏要由实现提供，用户自己定义它并不能变出接口。MinGW-w64 的头文件里始终声明了 strcpy_s（它把 MSVC 的安全函数当作扩展提供），所以强制定义宏后能编过，运行时走的是 strcpy_s；glibc 上没有 strcpy_s，强制定义宏只会得到「隐式声明」的错误。把两次结果都记下来。

验收：下面四次调用的输出依次为 0 [hello]、-1 []、-1、0 []。

c
char buf[8];
printf("%d [%s]\n", copy_string(buf, sizeof buf, "hello"), buf);
printf("%d [%s]\n", copy_string(buf, sizeof buf, "12345678"), buf);
printf("%d\n", copy_string(buf, 0, "x"));
printf("%d [%s]\n", copy_string(buf, sizeof buf, ""), buf);

3.2 编程 ​

#12403
⚡4⏳3

写一个 features.h，集中回答「这个工具链提供哪些可选能力」，再写一个 main.c 打印结果。

features.h 里定义这些宏：FEATURES_C11、FEATURES_C23、FEATURES_ATOMICS、FEATURES_THREADS、FEATURES_ANNEX_K，定义的条件分别是：

  1. __STDC_VERSION__ 已定义且不小于 201112L。
  2. __STDC_VERSION__ 已定义且不小于 202000L。
  3. 没有定义 __STDC_NO_ATOMICS__，且 __has_include(<stdatomic.h>) 为真。
  4. 没有定义 __STDC_NO_THREADS__，且 __has_include(<threads.h>) 为真。
  5. 定义了 __STDC_LIB_EXT1__。

__has_include 只在编译器支持时才写，用 #if defined(__has_include) 包住。

要求：

  1. 用 -std=c99、-std=c17、-std=c2x 各编译一次，把五行结果做成表格。
  2. 再加一次 -D__STDC_NO_THREADS__=1 -D__STDC_NO_ATOMICS__=1，确认后两行随之改变。
  3. 观察 MinGW-w64 GCC 13.2：-std=c17 下 threads.h 不存在，但 __STDC_NO_THREADS__ 并未定义。若只按正文的写法检查 #ifdef __STDC_NO_THREADS__，程序会报告线程可用，直到 #include <threads.h> 时才在编译期失败。把这一点写进报告，并说明为什么第 4 条要同时检查两个条件。
  4. 把 __STDC_VERSION__ 的实测值也打印出来。GCC 14 用 -std=c23（或 -std=c2x）时报的是 202000L 而不是 202311L，检查「版本号是否够 C23」会漏掉这类实现。

验收：在 MinGW-w64 GCC 13.2 上，-std=c99 只打印 atomics: yes；-std=c17 打印 C11: yes、atomics: yes；-std=c2x 再加 C23: yes；两次都不打印 threads: yes。在提供 <threads.h> 的 glibc 上，-std=c17 与 -std=c2x 都打印 threads: yes。四次运行都不打印 Annex K: yes。

3.3 综合与挑战 ​

#12404
⚡5⏳4

写一个 portable_counter 模块（portable_counter.h 与 portable_counter.c），用同一份源码适配三种实现能力：

c
typedef struct portable_counter portable_counter;

portable_counter *pc_create(void);
void pc_destroy(portable_counter *c);
void pc_add(portable_counter *c, int n);
long pc_value(const portable_counter *c);
const char *pc_backend(void);   /* 返回 "atomic"、"mutex" 或 "serial" */

要求：

  1. 有原子能力时（没定义 __STDC_NO_ATOMICS__ 且 __has_include(<stdatomic.h>)），内部用 atomic_long，pc_add 用 atomic_fetch_add。
  2. 没有原子但有线程能力时，内部用 mtx_t 加普通 long，pc_add 与 pc_value 都在锁内访问。
  3. 两者都没有时退化为普通 long，pc_backend 返回 "serial"，并在头文件注释里写明此时不能多线程使用。
  4. pc_destroy 只销毁实际初始化过的资源。mtx_init 失败时 pc_create 返回 NULL，不能泄漏内存。
  5. 测试程序用 4 个线程各调用 pc_add 25000 次，最后打印 backend 与 pc_value；没有线程能力时改为主线程循环 100000 次。

验收：

  1. 正常编译运行，输出 backend=atomic value=100000。
  2. 加 -D__STDC_NO_ATOMICS__=1，输出 backend=mutex value=100000。
  3. 再加 -D__STDC_NO_THREADS__=1，输出 backend=serial value=100000，且测试程序里不能出现 <threads.h> 的引用。
  4. 三种配置都用 -Wall -Wextra 编过，没有警告。-fsanitize=thread 在三者上都不必强求：glibc 上与 C11 线程库共用时常见 DEADLYSIGNAL 崩溃，这是 TSan 的已知限制，不是程序的问题。能测就测，不能测就在报告里写明原因，并改用 pthread 把同一段测试驱动重写一遍再测。
  5. 在报告里说明：为什么模块里用宏选择实现，而不用运行期的 if。提示：mtx_t、atomic_long 这些类型在头文件里就决定了，运行期的分支无法让编译器在缺少 <threads.h> 时仍然通过。