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。

    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假定错误不会发生，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。

    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

    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fprintf对stderr的调用。许多程序员并不知道，但是你的确可以创建与printf类似的可变参数宏。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__和__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_err，log_warn和log_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

    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。

    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，只是向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。

    1. #include "dbg.h"
    2. #include <stdlib.h>
    3. #include <stdio.h>
    6. void test_debug()
    7. {
    8.     // notice you don't need the \n
    9.     debug("I have Brown Hair.");
    11.     // passing in arguments like printf
    12.     debug("I am %d years old.", 37);
    13. }
    15. void test_log_err()
    16. {
    17.     log_err("I believe everything is broken.");
    18.     log_err("There are %d problems in %s.", 0, "space");
    19. }
    21. void test_log_warn()
    22. {
    23.     log_warn("You can safely ignore this.");
    24.     log_warn("Maybe consider looking at: %s.", "/etc/passwd");
    25. }
    27. void test_log_info()
    28. {
    29.     log_info("Well I did something mundane.");
    30.     log_info("It happened %f times today.", 1.3f);
    31. }
    33. int test_check(char *file_name)
    34. {
    35.     FILE *input = NULL;
    36.     char *block = NULL;
    38.     block = malloc(100);
    39.     check_mem(block); // should work
    41.     check(input, "Failed to open %s.", file_name);
    43.     free(block);
    44.     fclose(input);
    45.     return 0;
    47. error:
    48.     if(block) free(block);
    49.     if(input) fclose(input);
    50.     return -1;
    51. }
    53. int test_sentinel(int code)
    54. {
    55.     char *temp = malloc(100);
    56.     check_mem(temp);
    58.     switch(code) {
    59.         case 1:
    60.             log_info("It worked.");
    61.             break;
    62.         default:
    63.             sentinel("I shouldn't run.");
    64.     }
    66.     free(temp);
    67.     return 0;
    69. error:
    70.     if(temp) free(temp);
    71.     return -1;
    72. }
    74. int test_check_mem()
    75. {
    76.     char *test = NULL;
    77.     check_mem(test);
    79.     free(test);
    80.     return 1;
    82. error:
    83.     return -1;
    84. }
    86. int test_check_debug()
    87. {
    88.     int i = 0;
    90.     return 0;
    91. error:
    92.     return -1;
    93. }
    95. int main(int argc, char *argv[])
    96. {
    97.     check(argc == 2, "Need an argument.");
    99.     test_debug();
    100.     test_log_err();
    101.     test_log_warn();
    102.     test_log_info();
    104.     check(test_check("ex20.c") == 0, "failed with ex20.c");
    105.     check(test_check(argv[1]) == -1, "failed with argv");
    106.     check(test_sentinel(1) == 0, "test_sentinel failed.");
    107.     check(test_sentinel(100) == -1, "test_sentinel failed.");
    108.     check(test_check_mem() == -1, "test_check_mem failed.");
    109.     check(test_check_debug() == -1, "test_check_debug failed.");
    111.     return 0;
    113. error:
    114.     return 1;
    115. }

    要注意check是如何使用的，并且当它为false时会跳到标签来执行清理。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：

    1. $ make ex20
    2. cc -Wall -g -DNDEBUG    ex20.c   -o ex20
    3. $ ./ex20 test
    4. [ERROR] (ex20.c:16: errno: None) I believe everything is broken.
    5. [ERROR] (ex20.c:17: errno: None) There are 0 problems in space.
    6. [WARN] (ex20.c:22: errno: None) You can safely ignore this.
    7. [WARN] (ex20.c:23: errno: None) Maybe consider looking at: /etc/passwd.
    8. [INFO] (ex20.c:28) Well I did something mundane.
    9. [INFO] (ex20.c:29) It happened 1.300000 times today.
    10. [ERROR] (ex20.c:38: errno: No such file or directory) Failed to open test.
    11. [INFO] (ex20.c:57) It worked.
    12. [ERROR] (ex20.c:60: errno: None) I shouldn't run.
    13. [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。

    现在我会向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：

    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：

    1. int rc = dosomething();
    2. 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check和log_err宏：

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

    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：

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

    看到末尾的age, name了吗？这就是...和##__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...和##__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：

    1. 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：

    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。

    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

    • 将#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，之后重新编译来达到同样效果。