C-Journey

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正常

阶段 1 Lab 实验参考 ​

所有输出在 WSL Arch（gcc 16.1.1）真实运行得到。建议卡住时先看「思路」逐步对照。

步骤 1：类型侦察 ​

思路：sizeof + <limits.h> + <stdint.h> 三件套一次摸清本机；long == 8 说明本机是 LP64。

  1. 打印整型家族大小与范围、定宽类型大小。→ 知识点：第 2 章：整型家族与 sizeof「整型家族与 sizeof」「<stdint.h>」两节
  2. 关键结论：本机 long=8 是 LP64 的事实，但它是实现定义的——64 位 Windows 的 LLP64 下 long 是 4 字节，所以「long 是 8 字节」绝不能写进代码假设。→ 知识点：第 2 章「平台差异：LP64 vs LLP64」一节

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall types.c -o types && ./types
char=1 short=2 int=4 long=8 longlong=8
int: -2147483648..2147483647
unsigned: 0..4294967295
int32_t=4 int64_t=8 uint8_t=1 size_t=8

步骤 2：提升与混合符号 ​

思路：sizeof(c+c) 是 4 因为 char 先提升成 int；sizeof('A') 是 4 因为字符常量本身就是 int。两个比较为 0 是 usual arithmetic conversions 把 -1 转成了无符号巨数。

  1. 三个 4 的来历各不相同，但都指向「算术不在窄类型里发生」。→ 知识点：第 3 章：整型提升、溢出与回绕「第一座山」、第 4 章「常量」一节
  2. -1 < 1u 为 0：int 装不下 unsigned 的全值域，两边都转 unsigned，-1 变 4294967295。-Wsign-compare 两处都报警。→ 知识点：第 3 章「三座山的交汇」一节

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall promo.c -o promo && ./promo
sizeof(c+c)=4 sizeof('A')=4 sizeof('A'+1)=4
-1 < 1u = 0
-1 < sizeof(int) = 0
$ gcc -std=c11 -Wall -Wsign-compare promo.c
promo.c:6:47: warning: comparison of integer expressions of different signedness:
        'int' and 'unsigned int' [-Wsign-compare]
promo.c:7:42: warning: comparison of integer expressions of different signedness:
        'int' and 'long unsigned int' [-Wsign-compare]

步骤 3：位运算工具箱 ​

思路：置位用 |=、测试用 &、清位用 &= ~；拆包 = 先右移把目标位段挪到低端再掩码；组包 = 先左移到位再或。

  1. flags |= FLAG_A | FLAG_C 置两位，测试三标志，flags &= ~FLAG_A 清一位。→ 知识点：第 6 章：位运算与移位「应用：标志位三件套」一节
  2. 0xB4（1011 0100）拆包：高 4 位 (b >> 4) & 0x0F = 0xB，低 4 位 b & 0x0F = 0x4。拆包先移位再掩码，是为了把「目标位段」和「无关位」分开处理。→ 知识点：第 6 章（移位 + 掩码的组合）
  3. 组包 (0x7 << 4) | 0x9 = 0x79：左移把高半字节放到位，再或上低半字节。→ 知识点：同上

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall bitops.c -o bitops && ./bitops
置位后: A=1 B=0 C=1
清 A 后: A=0 B=0 C=1
0xB4 拆包: 高=0xB 低=0x4
组包 0x7|0x9 = 0x79

步骤 4：union 类型双关 ​

思路：union 所有成员共享同一块内存——写 int 读 float，字节没动、解读方式变了。

  1. u.i = 0x3F800000 后 u.f 是 1.0f（IEEE 754 的位模式）；反向 u.f = 3.14f 后 u.i 的位模式是 0x4048F5C3。→ 知识点：第 13 章：结构体、联合、枚举与内存对齐「联合 union」一节（类型双关）
  2. (void*)&u.i == (void*)&u.f 为 1 实锤同址（比较不同指针类型要先转 void*）。→ 知识点：同上（同址是 union 的定义性行为）

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall pun.c -o pun && ./pun
写 0x3F800000 读 float = 1.000000
写 3.14f 读位模式   = 0x4048F5C3
(void*)&u.i == (void*)&u.f ? 1

步骤 5：对齐侦探 ​

思路：字段要对齐到自身对齐要求的整数倍偏移，结构体总大小是最大成员对齐的倍数——A 的 char/int/char 里两个 char 各带 3 字节 padding。

  1. A：c@0、i@4（跳过 3 字节 padding）、d@8，总大小补到 12。B 重排后 i@0 c@4 d@5，补到 8——字段一样，顺序不同，省 4 字节。→ 知识点：第 13 章「内存对齐与填充」一节（两条对齐规则）
  2. 布局图：A 的字节 0=c、1~3=padding、4~7=i、8=d、9~11=padding。→ 知识点：同上（offsetof 是解剖刀）

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall align.c -o align && ./align
sizeof(A)=12: c@0 i@4 d@8
sizeof(B)=8: i@0 c@4 d@5

步骤 6：安全字符串 ​

思路：snprintf 返回值是「本该写入的总长度」——n >= sizeof(buf) 就是截断判据；fgets 会存换行符；strcpy 溢出用 ASan 抓。

  1. format_line("Alice", 89.5) 正常；超长名字触发截断，返回值 25 ≥ 20 打印警告。→ 知识点：第 11 章：C 字符串与不安全 libc「安全替代」一节（snprintf 的返回值语义）
  2. fgets 读到 "hello world\n"，把末尾 \n 换成 \0 后 len=11。→ 知识点：第 11 章（fgets 会存换行符）
  3. strcpy(small, "This is way too long")：gcc 编译期 -Warray-bounds 警告「写 21 字节进 5 字节对象」；ASan 运行期报 stack-buffer-overflow、WRITE of size 21、点名 boom.c:5。→ 知识点：第 11 章「缓冲区溢出」一节、阶段 0 第 10 章

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall safe.c -o safe
$ printf 'hello world\n' | ./safe
[Alice: 89.5]
警告:输出被截断(本该 25 字符)
[Alexander the Great]
输入一行: 处理后: 'hello world' len=11
$ gcc -std=c11 -Wall -O1 -g -fsanitize=address boom.c -o boom
boom.c:5:5: warning: '__builtin_memcpy' forming offset [5, 20] is out of the bounds [0, 5] ...
$ ./boom
==316==ERROR: AddressSanitizer: stack-buffer-overflow ...
WRITE of size 21 at 0x... thread T0
    #1 0x... in main /tmp/cj-ex1-lab/boom.c:5

附加挑战（L5）：徒手解码 float ​

思路：IEEE 754 的 float = 符号(1) + 指数(8, 偏置 127) + 尾数(23, 隐含前导 1)。不用 pow，2exp 用循环乘除实现。

  1. union 双关拿位模式，三个位段用移位+掩码切开（第 3 步的手艺直接复用）。→ 知识点：第 13 章（union）、第 6 章（切位段）
  2. 解码公式 ±(1+mant2²³)×2exp−127：1 + 那个 1 是隐含前导 1——规格化数不存最高位，省下 1 比特精度。（教材外补充：IEEE 754 位布局与偏置 127 是补充知识——教材第 4 章只讲精度，第 13 章 union 演示只提了一句位段划分。）2exp 用循环乘 2/除 2 实现（exp 范围 −127..128，循环最多 128 次，一点不慢）。→ 知识点：第 7 章（循环）、第 13 章「联合」一节（union 双关）
  3. 验证：三个样本的相对误差精确为 0（解码结果与 (double)(float) 转换在双精度下逐位一致，%.9f 打印出的尾差是显示舍入的假象）。→ 知识点：第 4 章（fabs 容差比较）

验证输出：

text
$ gcc -std=c11 -Wall decode.c -o decode -lm && ./decode
decode(1.000000) = 1.000000000  相对误差 = 0.000e+00
decode(3.140000) = 3.140000105  相对误差 = 0.000e+00
decode(-0.500000) = -0.500000000  相对误差 = 0.000e+00