附錄 ANSI C 與 K&R C — 資料結構（使用 C 語言）

為何本書採用 ANSI C

「在此附錄中我們要討論 American National Standard X3.159-1989 版本的 C 語言（ANSI C）與 Kernighan 和 Ritchie 在其著作 "The C Programming Language", Prentice Hall, 1978 中所提出的一種較傳統的版本之 C 語言（K&R C）間的多個不同點。」

課本給的兩個理由

「在本書中，我們採用標準的 ANSI C。我們這樣做有兩個原因。

最重要的理由是 ANSI C 提供一個方法來改善程式的可讀性和可靠性。
第二個理由是愈來愈多的電腦廠商支援 ANSI C。

「雖然如此，仍有許多不支援 ANSI C 的 C 編譯程式存在。其中一個著名的例子是 SUN Sparc stations，它執行 Berkeley UNIX。本書中的所有程式都可以成功地轉換成 K&R C 程式，並可在 SUN Sparcstation 上執行。」

今天讀這一節的意義

1989 年的 ANSI C（即 C89 / C90）在今天已是所有編譯器的最低標準，K&R C 幾乎絕跡。但這份附錄仍然有用：它解釋了為什麼本書正文中那些看似囉嗦的寫法（明確的 void、完整的函數原型、明確的型態轉換）是必要的 —— 那些正是第 4 章 4.1.1 節「指標可能是危險的」三條規則的語言層面根據。

ANSI C 大於 K&R C

小的修改與加入

項目	說明
行接續	「程式行可以連接在一起，只要在第一行之後加上倒斜線 `\` 即可。」
三字圖 trigraph	「ANSI C 提供一種『三字圖』，即三個字元順序，例如 `??/` 可用來表示連續到下一行。」
多位元組字元	「ANSI C 提供多位元組的概念和更大的字元集。它們的目的在於適用於國際字元，它們之中有許多需要以一個以上的位元組來表示。一個寬的字元可以用 `wchar_t` 來宣告，它定義在 `stddef.h` 中。多位元組字元是一個寬字元的外部表示法。它以一般的 C 之字之字串表示。」

兩種新的型態名稱：const 與 volatile

const

「const 表示不能改變其值的物件。」

const int i = 47;   /* i cannot be changed */
int * const cptr;   /* cptr is a pointer that cannot
                       be changed */
const int *ptrc;    /* pointer to constant data can be
                       assigned to but not
                       the object it points to */

i = 10;     /* this is illegal */
i++;        /* this is illegal */

三種 const 的差別 —— 讀法是「由右往左」

宣告	誰不能改
`const int i`	`i` 本身不能改
`int * const cptr`	指標 `cptr` 不能改（不能指向別處），但 `*cptr` 可以改
`const int *ptrc`	*`ptrc`** 不能改（不能透過它修改資料），但 `ptrc` 本身可以改指向別處

這三行是 C 語言最常被搞混的宣告之一。訣竅：從變數名往外讀。cptr is a const pointer to int；ptrc is a pointer to const int。

volatile

「volatile 用於一個物件可能經常地被修改，而我們想要編譯程式不要對它執行最佳化時。」—— 典型用途是記憶體對映的硬體暫存器，或會被中斷處理常式修改的變數。

函數原型 (prototype) —— ANSI C 最主要的擴充

什麼是函數原型

「ANSI C 主要的擴充之一為函數原型（prototype）。在 K&R C 中，函數的定義以函數名稱與代表參數的一連串名稱開始。有關參數的事實則出現於後。在 ANSI C 中，參數及其型態一起出現在函數標頭中。一個函數原型與函數標頭類似，除了其中有參數型態出現以外。函數原型通常靠近 #define 和 #include 等 C 語言假指令（directives），並容許 C 編譯程式對函數呼叫執行型態檢查。」

small(x,y)           /* K&R C function heading */
small(int, int)      /* ANSI C function prototype */
small(int x, int y)  /* ANSI C function heading */

void f(void) 的用意

「即使函數沒有參數，即 f()，ANSI C 提供了格式 void f(void) 作為一種原型。」

在 K&R C 裡 f() 的意思是「參數未指定」而不是「沒有參數」—— 這也是為什麼本書所有主程式都寫成 void main(void) 而非 main()。

有無原型的三條規則對照 —— 這是整份附錄最重要的表

	傳統 C（無原型）	ANSI C（有原型）
(i)	引數以標準預設值轉換	引數轉換成型式參數所宣告的型態，就好像做了一個指派一般
(ii)	不執行型態檢查，也不檢查引數的個數	引數的個數和型態與原型比對，如果有不一致時，即發生錯誤
(iii)	任何函數都可以有可變的引數個數	需要可變的引數個數之函數必須先經過宣告

第 (ii) 條就是「改善程式的可靠性」的全部內容 —— 沒有原型時，把 float 傳給一個期待 int 的函數，編譯器不會警告，程式就默默地算出垃圾。

初值設定

「ANSI C 提出在語言中設定變數初值的方法。初值寫在大括號中。有些編譯程式會為 0 設定固定的儲位，但這不是語言定義的一部份，因此不可依靠它。」

int numbers [] [MAX_NUMBERS] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6},
                                {7, 8, 9}}

「設定一個維陣列 numbers，其中 numbers[0][0]=1，numbers[0][1]=2，number[0][2]=3，number[1][0]=4，……」

「不可依靠它」是什麼意思

課本特別警告：不要假設未明確初始化的元素會是 0。雖然多數編譯器對靜態儲存期的變數會清零，這不是語言保證的行為。這和第 4 章 4.1.1 節「把沒有實際指向物件的所有指標設定為 NULL」是同一種紀律：不要依賴未定義的行為。

型態的組織與 limits.h

ANSI C 對整數寬度的要求

「明白 ANSI C 如何組織型態是很有用的，這顯示於圖 A.1。它要求型態 int 不小於 short，且 long 不小於 int。」

型態	許多實作的位元數
`char`	8 位元
`short`	16 位元
`int`	16 或 32 位元
`long`	32 位元

「ANSI C 要求至少要使用這樣的寬度。」注意它規定的是最小值與相對大小，不是確切的位元數。

limits.h

「ANSI C 要求每一編譯程式實作要對整數的範圍加以說明，它們定義在標頭檔案 limits.h 中。在此檔案中的數值包括：CHAR_BIT、INT_MIN、CHAR_MIN、CHAR_MAX 及其他的數值。」

本書多處用到這些常數：第 1 章的 INT_MAX／INT_MIN（Natural_Number ADT 的上下界）、第 6 章明白警告不要用 INT_MAX 當最短路徑的 $\infty$（會溢位）、第 9 章與第 10 章用 INT_MAX 當「這個欄位沒有元素」的標記。

註解、識別字長度與前處理器

註解不能巢狀 —— 以及標準的解法

「C 規定 /* 為註解的開始，*/ 為註解的結束。它不容許巢狀的註解，但有許多 C 實作則可以。如果有必要對一大段可能含有註解的 C 程式碼加上註解時，應該使用 C 的前處理指令：」

#if 0
...
#endif

項目	K&R C	ANSI C
複合運算元	「如 `+=` 或 `-=` 視為兩個符號，而且其中可以有空白」	「視其為單一符號」
識別字長度	「規定識別字僅以它們的前八個字元來區別。所以，識別字 `looknice` 和 `looknice2` 可能被看成是相同的」	「容許至少以 31 個字元來判斷識別字是否相同，因此，鼓勵我們使用更有意義的名稱」
`#` 的位置	「預期 `#` 在第一格，命令直接寫在它的後面」	「容許在 `#` 前後有空白」
`register`	「非 ANSI C 編譯程式通常限制 `register` 只能和純量型態一起使用」	「容許關鍵字暫存器可以和其他任何型式的變數或參數一起使用」

識別字長度的實務警告

「然而，在 C 中的外部識別字必須以除錯程式和鏈結程式來處理。這些工具通常限制比較多，所以較長的名稱還是不受到鼓勵的。」—— 也就是說：函數名與全域變數名（外部連結）仍應保守，長名字留給區域變數。

兩個「應避免」的舊習慣

省略型態名稱。「C 容許型態名稱為一個變數或一個函數定義。在此情況下，預設值為 int。在 ANSI C 中這被視為不好的程式設計實務。ANSI C 提供特別的型態 void 來指示傳回的函數值可以忽略。」
（這正是第 4 章 4.1.1 節第 3 條規則「永遠為函數定義明確的傳回型態」的由來 —— 在許多系統中指標的大小和 int 相同，預設的 int 傳回型態稍後可能被解釋為一個指標，「在有些電腦上，這已經證實是危險的作法」。）
跳進複合指令中間。「C 容許無限制的分歧到複合指令的中間。這與 Ada、Modula-2 和 Pascal 等是非常的不同。這種實作也應避免。」

課本自己說：這份清單不可能完整

「要在一個附錄中包含全部的 K&R C 和 ANSI C 的差異是不可能的。有興趣的讀者請參考 Harbison 和 Steele 所著的書籍 "C: A Reference Manual"，以便對差異性作完整的探討。」

（Harbison 和 Steele 也是第 2 章字串函數與第 3 章 C 優先權等級的參考來源。）

將本書中的程式轉成 K&R C

課本選的示範程式

「要將本書中的程式由 ANSI C 轉成你所用的 C 語言是很容易的。在此我們提供一個完整的實例，使程式轉換後可以在 SUN Sparcstation 上執行。在程式 A.1，你可發現這是由本書第 9 章所取出的一個範例程式。它是一個『完整的』程式，它是可執行的。它示範了一個雜湊表的維護。在某些指令的右邊我們加上相當的 K&R C 指令以作為比較。在每一指令的左邊加上了行號，以幫助你找到當我們將此程式在 SUN Sparcstation 上執行時所產生的編譯錯誤。」

 1 /* file name: Hash1.c */
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 #define MAX_CHAR 10
 6 #define TABLE_SIZE 13
 7
 8 typedef struct {
 9        char key[MAX_CHAR];
10 } element;
11                                       /* K&R C correct form */
12 element hash_table[TABLE_SIZE];
13 int transform(char *);                /* int transform(); */
14 int hash(char *);                     /* int hash(); */
15 void init_table(element []);          /* void init_table(); */
16 void linear_insert(element, element []);  /* void linear_insert();*/
17 int linear_search(element, element []);   /* int linear_search(); */
18 void print_table(element []);         /* void print_table(); */
19
20 void main(void)                       /* void main() */
21 {
22   char key[MAX_CHAR];
23   element info;
24   int position;

程式 A.1：ANSI C 程式與其 K&R C 對照（節錄開頭）—— 注意右欄：K&R C 的宣告只寫傳回型態與函數名，括號內完全空白。

從這 24 行就能看出全部的轉換規則

ANSI C	K&R C
`int transform(char *);`	`int transform();`
`void init_table(element []);`	`void init_table();`
`void linear_insert(element, element []);`	`void linear_insert();`
`void main(void)`	`void main()`

規則只有一條：把原型括號裡的所有型態拿掉。函數定義的部分則要改成 K&R 的兩段式寫法（參數名稱在括號內、型態宣告在括號後、大括號前）。

編譯器實際抱怨了什麼

圖 A.2：由 K&R C 編譯程式產生的錯誤訊息

"hash1.c", line 18: element declared as parameter to non-function
"hash1.c", line 20: syntax error at or near type word "void"
"hash1.c", line 68: redeclaration of linear_insert
"hash1.c", line 74: item undefined
"hash1.c", line 77: ht undefined
"hash1.c", line 87: syntax error at or near variable name "item"
"hash1.c", line 87: redeclaration of formal parameter, element
"hash1.c", line 94: item undefined
"hash1.c", line 97: ht undefined
"hash1.c", line 109: syntax error at or near variable name "ht"
"hash1.c", line 113: ht undefined
"hash1.c", line 116: syntax error at or near variable name "ht"
"hash1.c", line 116: fatal error: too many errors

注意最後一行：fatal error: too many errors —— 編譯器直接放棄了。這是移植舊程式時最典型的經驗：一個語法差異會引發雪崩式的連鎖錯誤。

圖 A.3：第二組錯誤訊息（修掉第一批之後）

"hash1.c", line 27: warning: & before array or function: ignored
"hash1.c", line 33: warning: & before array or function: ignored
"hash1.c", line 36: warning: & before array or function: ignored
"hash1.c", line 44: warning: & before array or function: ignored
"hash1.c", line 48: syntax error at or near type word "char"
"hash1.c", line 54: key undefined
"hash1.c", line 60: syntax error at or near type word "char"
"hash1.c", line 64: key undefined
"hash1.c", line 67: syntax error at or near variable name "item"
"hash1.c", line 67: redeclaration of formal parameter, element
"hash1.c", line 74: item undefined
"hash1.c", line 77: ht undefined
"hash1.c", line 87: syntax error at or near variable name "item"
"hash1.c", line 87: redeclaration of formal parameter, element
"hash1.c", line 94: item undefined
"hash1.c", line 97: ht undefined
"hash1.c", line 109: syntax error at or near variable name "ht"
"hash1.c", line 113: ht undefined
"hash1.c", line 116: syntax error at or near variable name "ht"
"hash1.c", line 121: ht undefined

把錯誤訊息翻譯成移植檢查清單

錯誤訊息	真正的原因與修法
`element declared as parameter to non-function`	K&R C 看不懂原型裡的型態。把原型括號清空。
`syntax error at or near type word "void"`	`void main(void)` 的第二個 `void`。改成 `void main()`。
`syntax error at or near type word "char"`	函數定義的標頭仍是 ANSI 形式。改成 K&R 兩段式。
`redeclaration of formal parameter`	同上 —— 參數在括號內與括號後被宣告了兩次。
`key undefined` / `item undefined` / `ht undefined`	因為上一個語法錯誤，整個函數標頭沒被正確解析，所有參數名都變成未定義。修好標頭，這些就一起消失。
`warning: & before array or function: ignored`	對陣列名稱取位址。在 K&R C 中陣列名稱本身就是位址，`&` 是多餘的（ANSI C 則明確定義 `&arr` 的型態）。把 `&` 拿掉即可。

讀這兩張錯誤表的方法

絕大多數的錯誤都是「假的」 —— 它們是少數幾個真正的語法差異（原型、void、函數標頭形式）所引發的連鎖反應。移植的正確做法是由上而下、一次修一類，然後重新編譯，而不是照著錯誤清單逐行修。這與第 1 章 1.1 節談除錯時說的「一個修正過的錯誤可能產生數個新的錯誤」是同一個經驗。

本附錄重點回顧

ANSI C 相對於 K&R C 的主要差異

項目	K&R C	ANSI C
函數原型	只有名稱，無型態；不做型態檢查	參數型態寫在括號內；檢查個數與型態
無參數函數	`f()` = 參數未指定	`f(void)` = 確實沒有參數
可變引數	任何函數都可以	必須先宣告
`const` / `volatile`	無	有
識別字長度	前 8 個字元	至少 31 個字元
複合運算元	`+ =` 可有空白	單一符號，不可分開
`#` 位置	必須在第一格	前後可有空白
`register`	只能用於純量型態	任何型式的變數或參數
初值設定	受限	大括號形式，但不可假設未初始化的元素為 0
整數範圍	—	定義在 `limits.h`；`short` $\le$ `int` $\le$ `long`

移植到 K&R C 的四步驟

把所有函數原型的括號清空。
void main(void) → void main()。
函數定義改成 K&R 兩段式標頭。
拿掉陣列名稱前多餘的 &。

這份附錄與正文的連結

第 1 章：INT_MAX／INT_MIN（Natural_Number ADT）；除錯的連鎖錯誤。
第 2 章：ANSI C 允許結構指定，早期 C 不允許（2.2.1 節）。
第 4 章：4.1.1 節三條指標規則的語言根據；malloc 在 ANSI C 傳回 void*。
第 6 章：為何不要用 INT_MAX 當 $\infty$（會溢位）。
第 9、10 章：用 INT_MAX 標記「此欄位無元素」。

今天該怎麼看這份附錄

K&R C 已成歷史，但這份附錄提出的紀律仍然完全適用：寫明確的原型、寫明確的傳回型態、不依賴未定義的初值、不依賴編譯器的寬容。今天的對應物是開啟 -Wall -Wextra -Werror、用 const 標示不變的東西、不假設未定義行為 —— 目的與 1989 年制定 ANSI C 時完全一樣：讓編譯器替你抓錯，而不是讓使用者替你抓錯。