C标准库的实现详解

简介

assert.h 是 C 标准库中的一个头文件，该头文件包含一个宏 assert() 和一些用于调试的宏定义，它们可以在程序运行中检查和诊断条件是否为真，即程序是否按照预期运行。通常情况下，assert() 用于调试程序，以确保程序的正确性。

assert()宏的使用

assert() 宏用于在程序运行期间检测给定的条件是否为真。如果条件返回 false，则调用 assert() 宏。该宏的原型如下：

void assert(int expression);

其中，expression 参数是返回一个值的表达式。如果该表达式的返回值为 0（即 false），则 assert() 宏会在控制台上输出一个错误消息，并调用 abort() 函数终止程序的执行。否则，该宏不会做任何操作。

下面是一个示例程序：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int main()
{
    int a = 3, b = 4;
    assert(a == b);
    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
}

在该程序中，我们使用 assert() 宏来检查变量 a 和 b 是否相等。由于它们不相等，assert() 宏将引发一个错误：

Assertion failed: (a == b), function main, file main.c, line 7.

实现原理

assert() 宏可以被实现为如下的源码：

#ifndef assert
    #define assert(_Expression) ((void)0)
#endif

#ifdef NDEBUG
    #define assert(_Expression) ((void)0)
#else
    #include <stdio.h> // 使用printf函数
    #include <stdlib.h> // 使用abort函数

    #define assert(_Expression) ((_Expression) ? (void)0 : assert_fail(#_Expression, __FILE__, __LINE__))

    static void assert_fail(const char* expression, const char* file, unsigned int line)
    {
        printf("Assertion failed: %s, file %s, line %u.\n", expression, file, line);
        abort();        
    }
#endif

在这段代码中，首先我们判断 assert() 宏是否被定义。如果未被定义，则将其定义为 (void) 0，即不执行任何动作。这种情况通常是因为没有包含 <assert.h> 头文件。

接下来，我们判断是否定义了 NDEBUG。如果定义了 NDEBUG，则将 assert() 宏定义为 (void) 0，即不执行任何动作。这种情况通常是在发布版本中使用，以避免调试代码。

最后，我们定义了一个 assert_fail() 函数，该函数被调用时，将条件表达式、文件和行号作为参数传递，并在控制台上输出一条错误信息，然后调用 abort() 函数终止程序的执行。然后 assert() 宏被定义为调用 assert_fail() 函数，而 #_Expression, __FILE__ 和 __LINE__ 是预处理器内置的宏，用于获取条件表达式、文件和行号。

示例

下面是一个更完整的示例程序，展示了 assert() 宏如何检查数组溢出：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>

#define ARRAY_SIZE 5

int main()
{
    int array[ARRAY_SIZE];
    int i;

    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE + 1; i++) {
        assert(i < ARRAY_SIZE);
        array[i] = i;
    }

    printf("Array contents: ");
    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");

    return EXIT_SUCCESS;
}

在这个程序中，我们创建了一个长度为 5 的整数数组 array。然后，我们使用 assert() 宏来检查是否发生数组溢出。由于我们试图访问 array[5]，这将触发一个错误，assert() 宏将会输出一条错误信息：

Assertion failed: (i < ARRAY_SIZE), file main.c, line 12.

然后终止程序的执行。由于数组的最后一个元素没有被初始化，因此在控制台上输出的结果将是：

Array contents: 0 1 2 3 0

最后，我们需要注意在使用 assert() 宏的时候，要确保不会修改表达式的值。如果表达式被修改，则会导致程序出错。例如，下面的程序中，虽然 assert() 宏检查了 a == b 的条件，但由于该条件在执行 ++a 后被改变了，所以程序会出现错误：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int main()
{
    int a = 3, b = 4;
    assert(a == b);
    ++a;
    assert(a == b);
    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
}

这将输出：

Assertion failed: (a == b), file main.c, line 7.
Assertion failed: (a == b), file main.c, line 8.
a = 4, b = 4

虽然在第二个 assert() 宏中，a 和 b 的值相等，但由于在上一个 assert() 宏之后 a 被增加了 1，所以程序会出错。