在這個(gè)練習(xí)中，你會(huì)在難度上做一個(gè)大的跳躍，并且創(chuàng)建出用于管理數(shù)據(jù)庫(kù)的完整的小型系統(tǒng)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并不實(shí)用也存儲(chǔ)不了太多東西，然而它展示了大多數(shù)到目前為止你學(xué)到的東西。它也以更加正規(guī)的方法介紹了內(nèi)存分配，以及帶領(lǐng)你熟悉文件處理。我們實(shí)用了一些文件IO函數(shù)，但是我并不想過(guò)多解釋它們，你可以先試著自己理解。
像通常一樣，輸入下面整個(gè)程序，并且使之正常工作，之后我們會(huì)進(jìn)行討論：
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define MAX_DATA 512
#define MAX_ROWS 100
struct Address {
int id;
int set;
char name[MAX_DATA];
char email[MAX_DATA];
};
struct Database {
struct Address rows[MAX_ROWS];
};
struct Connection {
FILE *file;
struct Database *db;
};
void die(const char *message)
{
if(errno) {
perror(message);
} else {
printf("ERROR: %s\n", message);
}
exit(1);
}
void Address_print(struct Address *addr)
{
printf("%d %s %s\n",
addr->id, addr->name, addr->email);
}
void Database_load(struct Connection *conn)
{
int rc = fread(conn->db, sizeof(struct Database), 1, conn->file);
if(rc != 1) die("Failed to load database.");
}
struct Connection *Database_open(const char *filename, char mode)
{
struct Connection *conn = malloc(sizeof(struct Connection));
if(!conn) die("Memory error");
conn->db = malloc(sizeof(struct Database));
if(!conn->db) die("Memory error");
if(mode == 'c') {
conn->file = fopen(filename, "w");
} else {
conn->file = fopen(filename, "r+");
if(conn->file) {
Database_load(conn);
}
}
if(!conn->file) die("Failed to open the file");
return conn;
}
void Database_close(struct Connection *conn)
{
if(conn) {
if(conn->file) fclose(conn->file);
if(conn->db) free(conn->db);
free(conn);
}
}
void Database_write(struct Connection *conn)
{
rewind(conn->file);
int rc = fwrite(conn->db, sizeof(struct Database), 1, conn->file);
if(rc != 1) die("Failed to write database.");
rc = fflush(conn->file);
if(rc == -1) die("Cannot flush database.");
}
void Database_create(struct Connection *conn)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < MAX_ROWS; i++) {
// make a prototype to initialize it
struct Address addr = {.id = i, .set = 0};
// then just assign it
conn->db->rows[i] = addr;
}
}
void Database_set(struct Connection *conn, int id, const char *name, const char *email)
{
struct Address *addr = &conn->db->rows[id];
if(addr->set) die("Already set, delete it first");
addr->set = 1;
// WARNING: bug, read the "How To Break It" and fix this
char *res = strncpy(addr->name, name, MAX_DATA);
// demonstrate the strncpy bug
if(!res) die("Name copy failed");
res = strncpy(addr->email, email, MAX_DATA);
if(!res) die("Email copy failed");
}
void Database_get(struct Connection *conn, int id)
{
struct Address *addr = &conn->db->rows[id];
if(addr->set) {
Address_print(addr);
} else {
die("ID is not set");
}
}
void Database_delete(struct Connection *conn, int id)
{
struct Address addr = {.id = id, .set = 0};
conn->db->rows[id] = addr;
}
void Database_list(struct Connection *conn)
{
int i = 0;
struct Database *db = conn->db;
for(i = 0; i < MAX_ROWS; i++) {
struct Address *cur = &db->rows[i];
if(cur->set) {
Address_print(cur);
}
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc < 3) die("USAGE: ex17 <dbfile> <action> [action params]");
char *filename = argv[1];
char action = argv[2][0];
struct Connection *conn = Database_open(filename, action);
int id = 0;
if(argc > 3) id = atoi(argv[3]);
if(id >= MAX_ROWS) die("There's not that many records.");
switch(action) {
case 'c':
Database_create(conn);
Database_write(conn);
break;
case 'g':
if(argc != 4) die("Need an id to get");
Database_get(conn, id);
break;
case 's':
if(argc != 6) die("Need id, name, email to set");
Database_set(conn, id, argv[4], argv[5]);
Database_write(conn);
break;
case 'd':
if(argc != 4) die("Need id to delete");
Database_delete(conn, id);
Database_write(conn);
break;
case 'l':
Database_list(conn);
break;
default:
die("Invalid action, only: c=create, g=get, s=set, d=del, l=list");
}
Database_close(conn);
return 0;
}在這個(gè)程序中我使用了一系列的結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建用于地址薄的小型數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，我是用了一些你從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)的東西，所以你應(yīng)該逐行瀏覽這段代碼，解釋每一行做了什么，并且查詢你不認(rèn)識(shí)的任何函數(shù)。下面是你需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵部分：
#define 常量
我使用了“C預(yù)處理器”的另外一部分，來(lái)創(chuàng)建MAX_DATA和MAX_ROWS的設(shè)置常量。我之后會(huì)更多地講解預(yù)處理器的功能，不過(guò)這是一個(gè)創(chuàng)建可靠的常量的簡(jiǎn)易方法。除此之外還有另一種方法，但是在特定場(chǎng)景下并不適用。
定長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體
Address結(jié)構(gòu)體接著使用這些常量來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是定長(zhǎng)的，它們并不高效，但是便于存儲(chǔ)和讀取。Database結(jié)構(gòu)體也是定長(zhǎng)的，因?yàn)樗幸粋€(gè)定長(zhǎng)的Address結(jié)構(gòu)體數(shù)組。這樣你就可以稍后把整個(gè)數(shù)據(jù)一步寫到磁盤。
出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)終止的die函數(shù)
在像這樣的小型程序中，你可以編寫一個(gè)單個(gè)函數(shù)在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)殺掉程序。我把它叫做die。而且在任何失敗的函數(shù)調(diào)用，或錯(cuò)誤輸出之后，它會(huì)調(diào)用exit帶著錯(cuò)誤退出程序。
用于錯(cuò)誤報(bào)告的 errno和perror
當(dāng)函數(shù)返回了一個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，它通常設(shè)置一個(gè)叫做errno的“外部”變量，來(lái)描述發(fā)生了什么錯(cuò)誤。它們知識(shí)數(shù)字，所以你可以使用peeror來(lái)“打印出錯(cuò)誤信息”。
文件函數(shù)
我使用了一些新的函數(shù)，比如fopen，fread，fclose，和rewind來(lái)處理文件。這些函數(shù)中每個(gè)都作用于FILE結(jié)構(gòu)體上，就像你的結(jié)構(gòu)體似的，但是它由C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)定義。
嵌套結(jié)構(gòu)體指針
你應(yīng)該學(xué)習(xí)這里的嵌套結(jié)構(gòu)器和獲取數(shù)組元素地址的用法，它讀作“讀取db中的conn中的rows的第i個(gè)元素，并返回地址（&）”。
譯者注：這里有個(gè)更簡(jiǎn)便的寫法是
db->conn->row + i。
結(jié)構(gòu)體原型的復(fù)制
它在Database_delete中體現(xiàn)得最清楚，你可以看到我是用了臨時(shí)的局部Address變量，初始化了它的id和set字段，接著通過(guò)把它賦值給rows數(shù)組中的元素，簡(jiǎn)單地復(fù)制到數(shù)組中。這個(gè)小技巧確保了所有除了set和id的字段都初始化為0，而且很容易編寫。順便說(shuō)一句，你不應(yīng)該在這種數(shù)組復(fù)制操作中使用memcpy?，F(xiàn)代C語(yǔ)言中你可以只是將一個(gè)賦值給另一個(gè)，它會(huì)自動(dòng)幫你處理復(fù)制。
處理復(fù)雜參數(shù)
我執(zhí)行了一些更復(fù)雜的參數(shù)解析，但是這不是處理它們的最好方法。在這本書的后面我們將會(huì)了解一些用于解析的更好方法。
將字符串轉(zhuǎn)換為整數(shù)
我使用了atoi函數(shù)在命令行中接受作為id的字符串并把它轉(zhuǎn)換為int id變量。去查詢這個(gè)函數(shù)以及相似的函數(shù)。
在堆上分配大塊數(shù)據(jù)
這個(gè)程序的要點(diǎn)就是在我創(chuàng)建Database的時(shí)候，我使用了malloc來(lái)向OS請(qǐng)求一塊大容量的內(nèi)存。稍后我會(huì)講得更細(xì)致一些。
NULL就是0，所以可轉(zhuǎn)成布爾值
在許多檢查中，我簡(jiǎn)單地通過(guò)if(!ptr) die("fail!")檢測(cè)了一個(gè)指針是不是NULL。這是有效的，因?yàn)?code>NULL會(huì)被計(jì)算成假。在一些少見(jiàn)的系統(tǒng)中，NULL會(huì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，并且表示為一些不是0的東西。但在C標(biāo)準(zhǔn)中，你可以把它當(dāng)成0來(lái)編寫代碼。到目前為止，當(dāng)我說(shuō)“NULL就是0”的時(shí)候，我都是對(duì)一些迂腐的人說(shuō)的。
你應(yīng)該為此花費(fèi)大量時(shí)間，知道你可以測(cè)試它能正常工作了。并且你應(yīng)當(dāng)用Valgrind來(lái)確保你在所有地方都正確使用內(nèi)存。下面是我的測(cè)試記錄，并且隨后使用了Valgrind來(lái)檢查操作：
$ make ex17
cc -Wall -g ex17.c -o ex17
$ ./ex17 db.dat c
$ ./ex17 db.dat s 1 zed zed@zedshaw.com
$ ./ex17 db.dat s 2 frank frank@zedshaw.com
$ ./ex17 db.dat s 3 joe joe@zedshaw.com
$
$ ./ex17 db.dat l
1 zed zed@zedshaw.com
2 frank frank@zedshaw.com
3 joe joe@zedshaw.com
$ ./ex17 db.dat d 3
$ ./ex17 db.dat l
1 zed zed@zedshaw.com
2 frank frank@zedshaw.com
$ ./ex17 db.dat g 2
2 frank frank@zedshaw.com
$
$ valgrind --leak-check=yes ./ex17 db.dat g 2
# cut valgrind output...
$Valgrind實(shí)際的輸出沒(méi)有顯式，因?yàn)槟銘?yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)它。
注
Vagrind可以報(bào)告出你泄露的小塊內(nèi)存，但是它有時(shí)會(huì)過(guò)度報(bào)告OSX內(nèi)部的API。如果你發(fā)現(xiàn)它顯示了不屬于你代碼中的泄露，可以忽略它們。
對(duì)于現(xiàn)在你們這些年輕人來(lái)說(shuō)，編程簡(jiǎn)直太容易了。如果你玩玩Ruby或者Python的話，只要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象或變量就好了，不用管它們存放在哪里。你并不關(guān)心它們是否存放在棧上或堆上。你的編程語(yǔ)言甚至完全不會(huì)把變量放在棧上，它們都在堆上，并且你也不知道是否是這樣。
然而C完全不一樣，因?yàn)樗褂昧薈PU真實(shí)的機(jī)制來(lái)完成工作，這涉及到RAM中的一塊叫做棧的區(qū)域，以及另外一塊叫做堆的區(qū)域。它們的差異取決于取得儲(chǔ)存空間的位置。
堆更容易解釋，因?yàn)樗褪悄汶娔X中的剩余內(nèi)存，你可以通過(guò)malloc訪問(wèn)它來(lái)獲取更多內(nèi)存，OS會(huì)使用內(nèi)部函數(shù)為你注冊(cè)一塊內(nèi)存區(qū)域，并且返回指向它的指針。當(dāng)你使用完這片區(qū)域時(shí)，你應(yīng)該使用free把它交還給OS，使之能被其它程序復(fù)用。如果你不這樣做就會(huì)導(dǎo)致程序“泄露”內(nèi)存，但是Valgrind會(huì)幫你監(jiān)測(cè)這些內(nèi)存泄露。
棧是一個(gè)特殊的內(nèi)存區(qū)域，它儲(chǔ)存了每個(gè)函數(shù)的創(chuàng)建的臨時(shí)變量，它們對(duì)于該函數(shù)為局部變量。它的工作機(jī)制是，函數(shù)的每個(gè)函數(shù)都會(huì)“壓入”棧中，并且可在函數(shù)內(nèi)部使用。它是一個(gè)真正的棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以是后進(jìn)先出的。這對(duì)于main中所有類似char section和int id的局部變量也是相同的。使用棧的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)函數(shù)退出時(shí)C編譯器會(huì)從棧中“彈出”所有變量來(lái)清理。這非常簡(jiǎn)單，也防止了棧上變量的內(nèi)存泄露。
理清內(nèi)存的最簡(jiǎn)單的方式是遵守這條原則：如果你的變量并不是從malloc中獲取的，也不是從一個(gè)從malloc獲取的函數(shù)中獲取的，那么它在棧上。
下面是三個(gè)值得關(guān)注的關(guān)于棧和堆的主要問(wèn)題：
malloc獲取了一塊內(nèi)存，并且把指針?lè)旁诹藯Ｉ希敲串?dāng)函數(shù)退出時(shí)，指針會(huì)被彈出而丟失。malloc放在堆上。這就是我在程序中使用Database_open來(lái)分配內(nèi)存或退出的原因，相應(yīng)的Database_close用于釋放內(nèi)存。如果你創(chuàng)建了一個(gè)“創(chuàng)建”函數(shù)，它創(chuàng)建了一些東西，那么一個(gè)“銷毀”函數(shù)可以安全地清理這些東西。這樣會(huì)更容易理清內(nèi)存。
最后，當(dāng)一個(gè)程序退出時(shí)，OS會(huì)為你清理所有的資源，但是有時(shí)不會(huì)立即執(zhí)行。一個(gè)慣用法（也是本次練習(xí)中用到的）是立即終止并且讓OS清理錯(cuò)誤。
這個(gè)程序有很多可以使之崩潰的地方，嘗試下面這些東西，同時(shí)也想出自己的辦法。
strncpy的相關(guān)資料，然后試著弄清楚如果name或者address超過(guò)512個(gè)字節(jié)會(huì)發(fā)生什么?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單把最后一個(gè)字符設(shè)置成'\0'來(lái)修復(fù)它，你應(yīng)該無(wú)論如何都這樣做（這也是函數(shù)原本應(yīng)該做的）。malloc的內(nèi)存不足之前，嘗試找出最大的數(shù)據(jù)庫(kù)尺寸是多少。die函數(shù)需要接收conn變量作為參數(shù)，以便執(zhí)行清理并關(guān)閉它。MAX_DATA和MAX_ROWS，將它們儲(chǔ)存在Database結(jié)構(gòu)體中，并且將它們寫到文件。這樣就可以創(chuàng)建任意大小的數(shù)據(jù)庫(kù)。find。Address添加一些字段，使它們可被搜索。bash頂端使用使用set -e，使之在任何命令發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)退出。
譯者注：使用Python編寫多行腳本或許更方便一些。
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