2011年1月18日 星期二

Embedded C Language Problems

Embedded C Language problems
英文原文見:http://www.embedded.com/2000/0005/0005feat2.htm
英文標題:A 'C' Test: The 0x10 Best Questions for Would-be Embedded
      Programmers
作者:Nigel Jones 譯者:RTOSFUN E-Mail:rtosfun@gmail.com

  各位,拿出鉛筆。這個測試將分辯出你是否有潛力成為一個嵌入式程式師
,或者你是不是一個有潛力的嵌入式程式師。

  C語言測試是招聘嵌入式系統程式師過程中必須而且有效的方法。這些年
,我既參加也組織了許多這種測試,在這過程中我意識到這些測試能為帶面試
者和被面試者提供許多有用資訊,此外,撇開面試的壓力不談,這種測試也是
相當有趣的。

  從被面試者的角度來講,你能瞭解許多關於出題者或監考者的情況。這個
測試只是出題者為顯示其對ANSI標準細節的知識而不是技術秘決而設計嗎?
這個愚蠢的問題嗎?如要你答出某個字元的ASCII值。這些問題著重考察你的
系統調用和記憶體分配策略方面的能力嗎?這標誌著出題者也許花時間在微機
上而不上在嵌入式系統上。

  如果上述任何問題的答案是“是”的話,那麼我知道我得認真考慮我是否
應該去做這份工作。從面試者的角度來講,一個測試也許能從多方面揭示應試
者的素質:最基本的,你能瞭解應試者C語言的水準。不管怎麼樣,看一下這
人如何回答他不會的問題也是滿有趣。應試者是以好的直覺做出明智的選擇,
還是只是瞎蒙呢?

  當應試者在某個問題上卡住時是找藉口呢,還是表現出對問題的真正的好
奇心,把這看成學習的機會呢?我發現這些資訊與他們的測試成績一樣有用。
有了這些想法,我決定出一些真正針對嵌入式系統的考題,希望這些令人頭痛
的考題能給正在找工作的人一點幫住。這些問題都是我這些年實際碰到的。其
中有些題很難,但它們應該都能給你一點啟迪。這個測試適於不同水準的應試
者,大多數初級水準的應試者的成績會很差,經驗豐富的程式師應該有很好的
成績。為了讓你能自己決定某些問題的偏好,每個問題沒有分配分數,如果選
擇這些考題為你所用,請自行按你的意思分配分數。


預處理器(Preprocessor)
1. 用預處理指令#define 聲明一個常數,用以表明1年中有多少秒
 (忽略閏年問題)

#define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL

 我在這想看到幾件事情:
  1). #define 語法的基本知識(例如:不能以分號結束,括弧的使用,
    等等)

  2). 懂得預處理器將為你計算常數運算式的值,因此,直接寫出你是如
    何計算一年中有多少秒而不是計算出實際的值,是更清晰而沒有
    代價的。

  3). 意識到這個運算式將使一個16位機的整型數溢出-因此要用到長整
    型符號L,告訴編譯器這個常數是的長整型數。

  4). 如果你在你的運算式中用到UL(表示無符號長整型),那麼你有
    了一個好的起點。記住,第一印象很重要。

2. 寫一個“標準”巨集MIN,這個巨集輸入兩個參數並返回較小的一個。

#define MIN(A,B) ((A) <= (B) ? (A) : (B))

 這個測試是為下面的目的而設的:
 1). 標識#define在巨集中應用的基本知識。這是很重要的,因為直到嵌
   入(inline)操作符變為標準C的一部分,宏是方便產生嵌入代碼的唯
   一方法,對於嵌入式系統來說,為了能達到要求的性能,嵌入代碼
   經常是必須的方法。
 
 2). 三重條件操作符的知識。這個操作符存在C語言中的原因是它使得
   編譯器能產生比if-then-else更優化的代碼,瞭解這個用法是很重要
   的。

 3). 懂得在宏中小心地把參數用括弧括起來

 4). 我也用這個問題開始討論宏的副作用,例如:當你寫下面的代碼時
   會發生什麼事?

least = MIN(*p++, b);


3. 預處理器標識#error的目的是什麼?

   編譯程序時,只要遇到 #error 就會跳出一個編譯錯誤,既然是編
 譯錯誤,要它幹嘛呢?其目的就是保證程式是按照你所設想的那樣進行
 編譯的。下面舉個例子:

   程式中往往有很多的預處理指令#ifdef XXX...#else#endif當程式
  比較大時,往往有些巨集定義是在外部指定的(如makefile),或是
  在系統頭檔中指定的,當你不太確定當前是否定義了 XXX 時,就可
  以改成如下這樣進行編譯:

  #ifdef XXX
  #error "XXX has been defined"
  #else
  #endif

   這樣,如果編譯時出現錯誤,輸出了XXX has been defined,表明
 宏XXX已經被定義了。用處就是這樣,是不是感覺很沒有用處?


閉環(Infinite loops)
4. 嵌入式系統中經常要用到無限迴圈,你怎麼樣用C編寫閉環呢?

 這個問題用幾個解決方案。我首選的方案是:

  while(1){
   ?
  }

 一些程式師更喜歡如下方案:

  for(;;) {
   ?
  }


 這個實現方式讓我為難,因為這個語法沒有確切表達到底怎麼回事。如果一個
 應試者給出這個作為方案,我將用這個作為一個機會去探究他們這樣做的基本
 原理。如果他們的基本答案是:“我被教著這樣做,但從沒有想到過為什麼。”
 這會給我留下一個壞印象。

 第三個方案是用 goto

 Loop:
  ...
 goto Loop;


 應試者如給出上面的方案,這說明或者他是一個組合語言程式師(這也許是好
 事)或者他是一個想進入新領域的BASIC/FORTRAN程式師。


數據聲明(Data declarations)
5. 用變數a給出下面的定義
  a) 一個整型數(An integer)

  b) 一個指向整型數的指標(A pointer to an integer)

  c) 一個指向指標的的指標,它指向的指標是指向一個整型數(A pointer to a
   pointer to an integer)

  d) 一個有10個整型數的陣列(An array of 10 integers)

  e) 一個有10個指標的陣列,該指標是指向一個整型數的(An array of 10 po-
   inters to integers)

  f) 一個指向有10個整型數陣列的指標(A pointer to an array of 10 integers)

  g) 一個指向函數的指標,該函數有一個整型參數並返回一個整型數
   (A pointer to a function that takes an integer as an argument and re-
   turns an integer)

  h) 一個有10個指標的陣列,該指標指向一個函數,該函數有一個整型參數並返
   回一個整型數
   ( An array of ten pointers to functions that take an integer argument
   and return an integer )

  答案是:
  a) int a; // An integer
  b) int *a; // A pointer to an integer
  c) int **a; // A pointer to a pointer to an integer
  d) int a[10]; // An array of 10 integers
  e) int *a[10]; // An array of 10 pointers to integers
  f) int (*a)[10]; // A pointer to an array of 10 integers
  g) int (*a)(int); // A pointer to a function a that takes an integer argument and returns an integer
  h) int (*a[10])(int); // An array of 10 pointers to functions that take an integer argument and return an integer

  人們經常聲稱這裏有幾個問題是那種要翻一下書才能回答的問題,我同意這種說
 法。當我寫這篇文章時,為了確定語法的正確性,我的確查了一下書。但是當我被
 面試的時候,我期望被問到這個問題(或者相近的問題)。因為在被面試的這段時
 間裏,我確定我知道這個問題的答案。應試者如果不知道所有的答案(或至少大部
 分答案),那麼也就沒有為這次面試做準備,如果該面試者沒有為這次面試做準備
 ,那麼他又能為什麼出準備呢?

Static
6. 關鍵字static的作用是什麼?

  這個簡單的問題很少有人能回答完全。在C語言中,關鍵字static有三個明顯的作用:
1). 在函數體,一個被聲明為靜態的變數在這一函數被調用過程中維持其值不變。
2). 在模組內(但在函數體外),一個被聲明為靜態的變數可以被模組內所用函數訪問,但不能被模組外其他函數訪問。它是一個本地的總體變數。
3). 在模組內,一個被聲明為靜態的函數只可被這一模組內的其他函數調用。那就是,這個函數被限制在聲明它的模組的本地範圍內使用。
大多數應試者能正確回答第一部分,一部分能正確回答第二部分,同是很少的人能懂得第三部分。這是一個應試者的嚴重的缺點,因為他顯然不懂得本地化資料和代碼範圍的好處和重要性。

Const

7.關鍵字const是什麼含意?
我只要一聽到被面試者說:“const意味著常數”,我就知道我正在和一個業餘者打交道。去年Dan Saks已經在他的文章裏完全概括了const的所有用法,因此ESP(譯者:Embedded Systems Programming)的每一位讀者應該非常熟悉const能做什麼和不能做什麼.如果你從沒有讀到那篇文章,只要能說出const意味著“唯讀”就可以了。儘管這個答案不是完全的答案,但我接受它作為一個正確的答案。(如果你想知道更詳細的答案,仔細讀一下Saks的文章吧。)如果應試者能正確回答這個問題,我將問他一個附加的問題:下面的聲明都是什麼意思?

const int a;
int const a;
const int *a;
int * const a;
int const * a const;

前兩個的作用是一樣,a是一個常整型數。第三個意味著a是一個指向常整型數的指標(也就是,整型數是不可修改的,但指標可以)。第四個意思a是一個指向整型數的常指標(也就是說,指標指向的整型數是可以修改的,但指標是不可修改的)。最後一個意味著a是一個指向常整型數的常指標(也就是說,指標指向的整型數是不可修改的,同時指針也是不可修改的)。如果應試者能正確回答這些問題,那麼他就給我留下了一個好印象。順帶提一句,也許你可能會問,即使不用關鍵字const,也還是能很容易寫出功能正確的程式,那麼我為什麼還要如此看重關鍵字const呢?我也如下的幾下理由:
1). 關鍵字const的作用是為給讀你代碼的人傳達非常有用的資訊,實際上,聲明一個參數為常量是為了告訴了用戶這個參數的應用目的。如果你曾花很多時間清理其他人留下的垃圾,你就會很快學會感謝這點多餘的資訊。(當然,懂得用const的程式師很少會留下的垃圾讓別人來清理的。)
2). 通過給優化器一些附加的資訊,使用關鍵字const也許能產生更緊湊的代碼。
3). 合理地使用關鍵字const可以使編譯器很自然地保護那些不希望被改變的參數,防止其被無意的代碼修改。簡而言之,這樣可以減少bug的出現。
Volatile

8. 關鍵字volatile有什麼含意?並給出三個不同的例子。

一個定義為volatile的變數是說這變數可能會被意想不到地改變,這樣,編譯器就不會去假設這個變數的值了。精確地說就是,優化器在用到這個變數時必須每次都小心地重新讀取這個變數的值,而不是使用保存在寄存器裏的備份。下面是volatile變數的幾個例子:
1). 並行設備的硬體寄存器(如:狀態寄存器)
2). 一個中斷服務副程式中會訪問到的非自動變數(Non-automatic variables)
3). 多線程應用中被幾個任務共用的變數
回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區分C程式師和嵌入式系統程式師的最基本的問題。嵌入式系統程式師經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道,所用這些都要求volatile變數。不懂得volatile內容將會帶來災難。
假設被面試者正確地回答了這是問題(嗯,懷疑這否會是這樣),我將稍微深究一下,看一下這傢伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。
1). 一個參數既可以是const還可以是volatile嗎?解釋為什麼。
2). 一個指標可以是volatile 嗎?解釋為什麼。
3). 下面的函數有什麼錯誤:
int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}
下面是答案:
1). 是的。一個例子是唯讀的狀態寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。
2). 是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一個中服務副程式修該一個指向一個buffer的指標時。
3). 這段代碼的有個惡作劇。這段代碼的目的是用來返指標*ptr指向值的平方,但是,由於*ptr指向一個volatile型參數,編譯器將產生類似下面的代碼:
int square(volatile int *ptr)
{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}
由於*ptr的值可能被意想不到地該變,因此a和b可能是不同的。結果,這段代碼可能返不是你所期望的平方值!正確的代碼如下:
long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}

位操作(Bit manipulation)

9. 嵌入式系統總是要用戶對變數或寄存器進行位元操作。給定一個整型變數a,寫兩段代碼,第一個設置a的bit 3,第二個清除a 的bit 3。在以上兩個操作中,要保持其他位不變。

對這個問題有三種基本的反應
1). 不知道如何下手。該被面者從沒做過任何嵌入式系統的工作。
2). 用bit fields。Bit fields是被扔到C語言死角的東西,它保證你的代碼在不同編譯器之間是不可移植的,同時也保證了的你的代碼是不可重用的。我最近不幸看到Infineon為其較複雜的通信晶片寫的驅動程式,它用到了bit fields因此完全對我無用,因為我的編譯器用其他的方式來實現bit fields的。從道德講:永遠不要讓一個非嵌入式的傢伙粘實際硬體的邊。
3). 用 #defines 和 bit masks 操作。這是一個有極高可攜性的方法,是應該被用到的方法。最佳的解決方案如下:
#define BIT3 (0x1<<3)
static int a;
void set_bit3(void)
{
a |= BIT3;
}
void clear_bit3(void)
{
a &= ~BIT3;
}
一些人喜歡為設置和清除值而定義一個遮罩同時定義一些說明常數,這也是可以接受的。我希望看到幾個要點:說明常數、|=和&=~操作。

訪問固定的記憶體位置(Accessing fixed memory locations)

10. 嵌入式系統經常具有要求程式師去訪問某特定的記憶體位置的特點。在某工程中,要求設置一絕對位址為0x67a9的整型變數的值為0xaa66。編譯器是一個純粹的ANSI編譯器。寫代碼去完成這一任務。

這一問題測試你是否知道為了訪問一絕對位址把一個整型數強制轉換(typecast)為一指針是合法的。這一問題的實現方式隨著個人風格不同而不同。典型的類似代碼如下:
int *ptr;
ptr = (int *)0x67a9;
*ptr = 0xaa55;

一個較晦澀的方法是:
*(int * const)(0x67a9) = 0xaa55;

即使你的品味更接近第二種方案,但我建議你在面試時使用第一種方案。

中斷(Interrupts)

11. 中斷是嵌入式系統中重要的組成部分,這導致了很多編譯開發商提供一種擴展—讓標準C支援中斷。具代表事實是,產生了一個新的關鍵字__interrupt。下面的代碼就使用了__interrupt關鍵字去定義了一個中斷服務副程式(ISR),請評論一下這段代碼的。

__interrupt double compute_area (double radius)
{
double area = PI * radius * radius;
printf(" Area = %f", area);
return area;
}

這個函數有太多的錯誤了,以至讓人不知從何說起了:
1). ISR 不能返回一個值。如果你不懂這個,那麼你不會被雇用的。
2). ISR 不能傳遞參數。如果你沒有看到這一點,你被雇用的機會等同第一項。
3). 在許多的處理器/編譯器中,浮點一般都是不可重入的。有些處理器/編譯器需要讓額處的寄存器入棧,有些處理器/編譯器就是不允許在ISR中做浮點運算。此外,ISR應該是短而有效率的,在ISR中做浮點運算是不明智的。
4). 與第三點一脈相承,printf()經常有重入和性能上的問題。如果你丟掉了第三和第四點,我不會太為難你的。不用說,如果你能得到後兩點,那麼你的被雇用前景越來越光明了。

代碼例子(Code examples)

12 . 下面的代碼輸出是什麼,為什麼?

void foo(void)
{
unsigned int a = 6;
int b = -20;
(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6");
}


這個問題測試你是否懂得C語言中的整數自動轉換原則,我發現有些開發者懂得極少這些東西。不管如何,這無符號整型問題的答案是輸出是“>6”。原因是當運算式中存在有符號類型和無符號類型時所有的運算元都自動轉換為無符號類型。 因此-20變成了一個非常大的正整數,所以該運算式計算出的結果大於6。這一點對於應當頻繁用到無符號資料類型的嵌入式系統來說是豐常重要的。如果你答錯了這個問題,你也就到了得不到這份工作的邊緣。

13. 評價下面的代碼片斷:

unsigned int zero = 0;
unsigned int compzero = 0xFFFF;
/*1's complement of zero */

對於一個int型不是16位的處理器為說,上面的代碼是不正確的。應編寫如下:

unsigned int compzero = ~0;

這一問題真正能揭露出應試者是否懂得處理器字長的重要性。在我的經驗裏,好的嵌入式程式師非常準確地明白硬體的細節和它的局限,然而PC機程式往往把硬體作為一個無法避免的煩惱。
到了這個階段,應試者或者完全垂頭喪氣了或者信心滿滿志在必得。如果顯然應試者不是很好,那麼這個測試就在這裏結束了。但如果顯然應試者做得不錯,那麼我就扔出下面的追加問題,這些問題是比較難的,我想僅僅非常優秀的應試者能做得不錯。提出這些問題,我希望更多看到應試者應付問題的方法,而不是答案。不管如何,你就當是這個娛樂吧…

動態記憶體分配(Dynamic memory allocation)

14. 儘管不像非嵌入式電腦那麼常見,嵌入式系統還是有從堆(heap)中動態分配記憶體的過程的。那麼嵌入式系統中,動態分配記憶體可能發生的問題是什麼?

這裏,我期望應試者能提到記憶體碎片,碎片收集的問題,變數的持行時間等等。這個主題已經在ESP雜誌中被廣泛地討論過了(主要是 P.J. Plauger, 他的解釋遠遠超過我這裏能提到的任何解釋),所有回過頭看一下這些雜誌吧!讓應試者進入一種虛假的安全感覺後,我拿出這麼一個小節目:下面的代碼片段的輸出是什麼,為什麼?

char *ptr;
if ((ptr = (char *)malloc(0)) == NULL)
puts("Got a null pointer");
else
puts("Got a valid pointer");

這是一個有趣的問題。最近在我的一個同事不經意把0值傳給了函數malloc,得到了一個合法的指標之後,我才想到這個問題。這就是上面的代碼,該代碼的輸出是“Got a valid pointer”。我用這個來開始討論這樣的一問題,看看被面試者是否想到庫常式這樣做是正確。得到正確的答案固然重要,但解決問題的方法和你做決定的基本原理更重要些。

Typedef

15. Typedef 在C語言中頻繁用以聲明一個已經存在的資料類型的同義字。也可以用預處理器做類似的事。例如,思考一下下面的例子:
#define dPS struct s *
typedef struct s * tPS;

以上兩種情況的意圖都是要定義dPS 和 tPS 作為一個指向結構s指標。哪種方法更好呢?(如果有的話)為什麼?
這是一個非常微妙的問題,任何人答對這個問題(正當的原因)是應當被恭喜的。答案是:typedef更好。思考下面的例子:
dPS p1,p2;
tPS p3,p4;

第一個擴展為
struct s * p1, p2;

上面的代碼定義p1為一個指向結構的指,p2為一個實際的結構,這也許不是你想要的。第二個例子正確地定義了p3 和p4 兩個指針。

晦澀的語法

16. C語言同意一些令人震驚的結構,下面的結構是合法的嗎,如果是它做些什麼?
int a = 5, b = 7, c;
c = a+++b;

這個問題將做為這個測驗的一個愉快的結尾。不管你相不相信,上面的例子是完全合乎語法的。問題是編譯器如何處理它?水準不高的編譯作者實際上會爭論這個問題,根據最處理原則,編譯器應當能處理盡可能所有合法的用法。因此,上面的代碼被處理成:
c = a++ + b;
因此, 這段代碼持行後a = 6, b = 7, c = 12。
如果你知道答案,或猜出正確答案,做得好。如果你不知道答案,我也不把這個當作問題。我發現這個問題的最大好處是:這是一個關於代碼編寫風格,代碼的可讀性,代碼的可修改性的好的話題。

好了,夥計們,你現在已經做完所有的測試了。這就是我出的C語言測試題,我懷著愉快的心情寫完它,希望你以同樣的心情讀完它。如果是認為這是一個好的測試,那麼儘量都用到你的找工作的過程中去吧。天知道也許過個一兩年,我就不做現在的工作,也需要找一個。

Nigel Jones 是一個顧問,現在住在Maryland,當他不在水下時,你能在多個範圍的嵌入項目中找到他。他很高興能收到讀者的來信,他的email地址是: NAJones@compuserve.com。

References
‧ Jones, Nigel, "In Praise of the #error directive," Embedded Systems Programming, September 1999, p. 114.
‧ Jones, Nigel, " Efficient C Code for Eight-bit MCUs ," Embedded Systems Programming, November 1998, p. 66.

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