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飞龙 · 更新于 2018-02-19 15:00:56

练习20:Zed的强大的调试宏

在C中有一个永恒的问题,它伴随了你很长时间,然而在这个练习我打算使用一系列我开发的宏来解决它。到现在为止你都不知道它们的强大之处,所以你必须使用它们,总有一天你会来找我说,“Zed,这些调试宏真是太伟大了,我应该把我的第一个孩子的出生归功于你,因为你治好了我十年的心脏病,并且打消了我数次想要自杀的念头。真是要谢谢你这样一个好人,这里有一百万美元,和Leo Fender设计的Snakehead Telecaster电吉他的原型。”

是的,它们的确很强大。

C的错误处理问题

几乎每个编程语言中,错误处理都非常难。有些语言尽可能试图避免错误这个概念,而另一些语言发明了复杂了控制结构,比如异常来传递错误状态。当然的错误大多是因为程序员嘉定错误不会发生,并且这一乐观的思想影响了他们所用和所创造的语言。

C通过返回错误码或设置全局的errno值来解决这些问题,并且你需要检查这些值。这种机制可以检查现存的复杂代码中,你执行的东西是否发生错误。当你编写更多的C代码时,你应该按照下列模式:

  • 调用函数。
  • 如果返回值出现错误(每次都必须检查)。
  • 清理创建的所有资源。
  • 打印出所有可能有帮助的错误信息。

这意味着对于每一个函数调用(是的,每个函数)你都可能需要多编写3~4行代码来确保它正常功能。这些还不包括清理你到目前创建的所有垃圾。如果你有10个不同的结构体,3个方式。和一个数据库链接,当你发现错误时你应该写额外的14行。

之前这并不是个问题,因为发生错误时,C程序会像你以前做的那样直接退出。你不需要清理任何东西,因为OS会为你自动去做。然而现在很多C程序需要持续运行数周、数月或者数年,并且需要优雅地处理来自于多种资源的错误。你并不能仅仅让你的服务器在首次运行就退出,你也不能让你写的库使使用它的程序退出。这非常糟糕。

其它语言通过异常来解决这个问题,但是这些问题也会在C中出现(其它语言也一样)。在C中你只能够返回一个值,但是异常是基于栈的返回系统,可以返回任意值。C语言中,尝试在栈上模拟异常非常困难,并且其它库也不会兼容。

调试宏

我使用的解决方案是,使用一系列“调试宏”,它们在C中实现了基本的调试和错误处理系统。这个系统非常易于理解,兼容于每个库,并且使C代码更加健壮和简洁。

它通过实现一系列转换来处理错误,任何时候发生了错误,你的函数都会跳到执行清理和返回错误代码的“error:”区域。你可以使用check宏来检查错误代码,打印错误信息,然后跳到清理区域。你也可以使用一系列日志函数来打印出有用的调试信息。

我现在会向你展示你目前所见过的,最强大且卓越的代码的全部内容。

#ifndef __dbg_h__
#define __dbg_h__

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#ifdef NDEBUG
#define debug(M, ...)
#else
#define debug(M, ...) fprintf(stderr, "DEBUG %s:%d: " M "\n", __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#endif

#define clean_errno() (errno == 0 ? "None" : strerror(errno))

#define log_err(M, ...) fprintf(stderr, "[ERROR] (%s:%d: errno: %s) " M "\n", __FILE__, __LINE__, clean_errno(), ##__VA_ARGS__)

#define log_warn(M, ...) fprintf(stderr, "[WARN] (%s:%d: errno: %s) " M "\n", __FILE__, __LINE__, clean_errno(), ##__VA_ARGS__)

#define log_info(M, ...) fprintf(stderr, "[INFO] (%s:%d) " M "\n", __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)

#define check(A, M, ...) if(!(A)) { log_err(M, ##__VA_ARGS__); errno=0; goto error; }

#define sentinel(M, ...)  { log_err(M, ##__VA_ARGS__); errno=0; goto error; }

#define check_mem(A) check((A), "Out of memory.")

#define check_debug(A, M, ...) if(!(A)) { debug(M, ##__VA_ARGS__); errno=0; goto error; }

#endif

是的,这就是全部代码了,下面是它每一行所做的事情。

dbg.h:1-2

防止意外包含多次的保护措施,你已经在上一个练习中见过了。

dbg.h:4-6

包含这些宏所需的函数。

dbg.h:8

#ifdef的起始,它可以让你重新编译程序来移除所有调试日志信息。

dbg.h:9

如果你定义了NDEBUG之后编译,没有任何调试信息会输出。你可以看到#define debug()被替换为空(右边没有任何东西)。

dbg.h:10

上面的#ifdef所匹配的#else

dbg.h:11

用于替代的#define debug,它将任何使用debug("format", arg1, arg2)的地方替换成fprintfstderr的调用。许多程序员并不知道,但是你的确可以创建列斯与printf的可变参数宏。许多C编译器(实际上是C预处理器)并不支持它,但是gcc可以做到。这里的魔法是使用##__VA_ARGS__,意思是将剩余的所有额外参数放到这里。同时也要注意,使用了__FILE____LINE__来获取当前fine:line用于调试信息。这会非常有帮助。

dbg.h:12

#ifdef的结尾。

dbg.h:14

clean_errno宏用于获取errno的安全可读的版本。中间奇怪的语法是“三元运算符”,你会在后面学到它。

dbg.h:16-20

log_errlog_warnlog_info宏用于为最终用户记录信息。它们类似于debug但不能被编译。

dbg.h:22

到目前为止最棒的宏。check会保证条件A为真,否则会记录错误M(带着log_err的可变参数),之后跳到函数的error:区域来执行清理。

dbg.h:24

第二个最棒的宏,sentinel可以放在函数的任何不应该执行的地方,它会打印错误信息并且跳到error:标签。你可以将它放到if-statements或者switch-statements的不该被执行的分支中,比如default

dbg.h:26

简写的check_mem宏,用于确保指针有效,否则会报告“内存耗尽”的错误。

dbg.h:28

用于替代的check_debug宏,它仍然会检查并处理错误,尤其是你并不想报告的普遍错误。它里面使用了debug代替log_err来报告错误,所以当你定义了NDEBUG,它仍然会检查并且发生错误时跳出,但是不会打印消息了。

使用dbg.h

下面是一个例子,在一个小的程序中使用了dbg.h的所有函数。这实际上并没有做什么事情,知识想你演示了如何使用每个宏。我们将在接下来的所有程序中使用这些宏,所有要确保理解了如何使用它们。

#include "dbg.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

void test_debug()
{
    // notice you don't need the \n
    debug("I have Brown Hair.");

    // passing in arguments like printf
    debug("I am %d years old.", 37);
}

void test_log_err()
{
    log_err("I believe everything is broken.");
    log_err("There are %d problems in %s.", 0, "space");
}

void test_log_warn()
{
    log_warn("You can safely ignore this.");
    log_warn("Maybe consider looking at: %s.", "/etc/passwd");
}

void test_log_info()
{
    log_info("Well I did something mundane.");
    log_info("It happened %f times today.", 1.3f);
}

int test_check(char *file_name)
{
    FILE *input = NULL;
    char *block = NULL;

    block = malloc(100);
    check_mem(block); // should work

    input = fopen(file_name,"r");
    check(input, "Failed to open %s.", file_name);

    free(block);
    fclose(input);
    return 0;

error:
    if(block) free(block);
    if(input) fclose(input);
    return -1;
}

int test_sentinel(int code)
{
    char *temp = malloc(100);
    check_mem(temp);

    switch(code) {
        case 1:
            log_info("It worked.");
            break;
        default:
            sentinel("I shouldn't run.");
    }

    free(temp);
    return 0;

error:
    if(temp) free(temp);
    return -1;
}

int test_check_mem()
{
    char *test = NULL;
    check_mem(test);

    free(test);
    return 1;

error:
    return -1;
}

int test_check_debug()
{
    int i = 0;
    check_debug(i != 0, "Oops, I was 0.");

    return 0;
error:
    return -1;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    check(argc == 2, "Need an argument.");

    test_debug();
    test_log_err();
    test_log_warn();
    test_log_info();

    check(test_check("ex20.c") == 0, "failed with ex20.c");
    check(test_check(argv[1]) == -1, "failed with argv");
    check(test_sentinel(1) == 0, "test_sentinel failed.");
    check(test_sentinel(100) == -1, "test_sentinel failed.");
    check(test_check_mem() == -1, "test_check_mem failed.");
    check(test_check_debug() == -1, "test_check_debug failed.");

    return 0;

error:
    return 1;
}

要注意check是如何使用的,并且当它为false时会跳到error:标签来执行清理。这一行读作“检查A是否为真,不为真就打印M并跳出”。

你会看到什么

当你执行这段代码并且向第一个参数提供一些东西,你会看到:

$ make ex20
cc -Wall -g -DNDEBUG    ex20.c   -o ex20
$ ./ex20 test
[ERROR] (ex20.c:16: errno: None) I believe everything is broken.
[ERROR] (ex20.c:17: errno: None) There are 0 problems in space.
[WARN] (ex20.c:22: errno: None) You can safely ignore this.
[WARN] (ex20.c:23: errno: None) Maybe consider looking at: /etc/passwd.
[INFO] (ex20.c:28) Well I did something mundane.
[INFO] (ex20.c:29) It happened 1.300000 times today.
[ERROR] (ex20.c:38: errno: No such file or directory) Failed to open test.
[INFO] (ex20.c:57) It worked.
[ERROR] (ex20.c:60: errno: None) I shouldn't run.
[ERROR] (ex20.c:74: errno: None) Out of memory.

看到check失败之后,它是如何打印具体的行号了吗?这会为接下来的调试工作节省时间。同时也观察errno被设置时它如何打印错误信息。同样,这也可以节省你调试的时间。

C预处理器如果扩展宏

现在我会想你简单介绍一些预处理器的工作原理,让你知道这些宏是如何工作的。我会拆分dbg.h中阿最复杂的宏并且让你运行cpp来让你观察它实际上是如何工作的。

假设我有一个函数叫做dosomething(),执行成功是返回0,发生错误时返回-1。每次我调用dosomething的时候,我都要检查错误码,所以我将代码写成这样:

int rc = dosomething();

if(rc != 0) {
    fprintf(stderr, "There was an error: %s\n", strerror());
    goto error;
}

我想使用预处理器做的是,将这个if语句封装为更可读并且便于记忆的一行代码。于是可以使用这个check来执行dbg.h中的宏所做的事情:

int rc = dosomething();
check(rc == 0, "There was an error.");

这样更加简洁,并且恰好解释了所做的事情:检查函数是否正常工作,如果没有就报告错误。我们需要一些特别的预处理器“技巧”来完成它,这些技巧使预处理器作为代码生成工具更加易用。再次看看checklog_err宏:

#define log_err(M, ...) fprintf(stderr, "[ERROR] (%s:%d: errno: %s) " M "\n", __FILE__, __LINE__, clean_errno(), ##__VA_ARGS__)
#define check(A, M, ...) if(!(A)) { log_err(M, ##__VA_ARGS__); errno=0; goto error; }

第一个宏,log_err更简单一些,只是将它自己替换为fprintfstderr的调用。这个宏唯一的技巧性部分就是在log_err(M, ...)的定义中使用...。它所做的是让你向宏传入可变参数,从而传入fprintf需要接收的参数。它们是如何注入fprintf的呢?观察末尾的##__VA_ARGS__,它告诉预处理器将...所在位置的参数注入到fprintf调用的相应位置。于是你可以像这样调用了:

log_err("Age: %d, name: %s", age, name);

age, name参数就是...所定义的部分,这些参数会被注入到fprintf中,输出会变成:

fprintf(stderr, "[ERROR] (%s:%d: errno: %s) Age %d: name %d\n",
    __FILE__, __LINE__, clean_errno(), age, name);

看到末尾的age, name了吗?这就是...##__VA_ARGS__的工作机制,在调用其它变参宏(或者函数)的时候它会起作用。观察check宏调用log_err的方式,它也是用了...##__VA_ARGS__。这就是传递整个printf风格的格式字符串给check的途径,它之后会传给log_err,二者的机制都像printf一样。

下一步是学习check如何为错误检查构造if语句,如果我们剖析log_err的用法,我们会得到:

if(!(A)) { errno=0; goto error; }

它的意思是,如果A为假,则重置errno并且调用error标签。check宏会被上述if语句·替换,所以如果我们手动扩展check(rc == 0, "There was an error."),我们会得到:

if(!(rc == 0)) {
    log_err("There was an error.");
    errno=0;
    goto error;
}

在这两个宏的展开过程中,你应该了解了预处理器会将宏替换为它的定义的扩展版本,并且递归地来执行这个步骤,扩展宏定义中的宏。预处理器是个递归的模板系统,就像我之前提到的那样。它的强大来源于使用参数化的代码来生成整个代码块,这使它成为便利的代码生成工具。

下面只剩一个问题了:为什么不像die一样使用函数呢?原因是需要在错误处理时使用file:line的数值和goto操作。如果你在函数在内部执行这些,你不会得到错误真正出现位置的行号,并且goto的实现也相当麻烦。

另一个原因是,如果你编写原始的if语句,它看起来就像是你代码中的其它的if语句,所以它看起来并不像一个错误检查。通过将if语句包装成check宏,就会使这一错误检查的逻辑更清晰,而不是主控制流的一部分。

最后,C预处理器提供了条件编译部分代码的功能,所以你可以编写只在构建程序的开发或调试版本时需要的代码。你可以看到这在dbg.h中已经用到了,debug宏的主体部分只被编译器用到。如果没有这个功能,你需要多出一个if语句来检查是否为“调试模式”,也浪费了CPU资源来进行没有必要的检查。

附加题

  • #define NDEBUG放在文件顶端来消除所有调试信息。
  • 撤销上面添加的一行,并在MakeFile顶端将-D NDEBUG添加到CFLAGS,之后重新编译来达到同样效果。
  • 修改日志宏,使之包含函数名称和file:line