浅谈C语言中的类型声明

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新年第一更！之前群友问了一个 C语言 问题，即int(*(*p)())、int *(*p)()和int *(*p())的区别在哪里。确实，有时C语言的类型声明是很魔性的，看着也很令人头疼。不过如果拆分开来看其实还挺好理解的。

从基本结构开始

首先还是要从最根本的结构来看。这里各举一些C语言中函数指针、指针、数组声明的例子：

// 一维数组
int arr[5];
 
// 二维数组
 
int arr[4][5];
int arr[][5];
 
// 指针
 
int *ptr;
 
// 函数指针
 
int (*func_ptr) (int, int); // 接受2个整型参数，返回值整型
int (*func_ptr) (); // 不接受参数，返回值整型

可以看到，上述的例子都是十分直观的。所以，以这些简单直观的类型为基础来理解复杂的类型就不是那么复杂了。我们尝试将上述的类型进行组合。比如，声明一个元素是整型指针的一维数组：

int *arr[5];

还挺直观的。那如果声明一个指向 一维整型数组 的指针？

int (*ptr)[5];

没错，我们使用括号以表示ptr是一个指针。而声明一个 指向一维整型指针数组 的指针也就是将上述两者组合了。

int *(*ptr)[5];

现在考虑函数。简单的就不说了，讲些容易混淆的。比如，一个指向 函数指针 的指针应该如何声明？参考数组指针的声明，我们可以这么写：

int (*(*ptr)) ();

还可以进一步简化成：

int (**ptr) ();

现在思考声明一个 返回类型为指针的函数 的指针。

int *(**ptr) ();

这样一分析，群有问题中的1、2的含义就很明显了——都是一个 返回类型为整型指针且不接收参数的函数 的指针。

C语言的类型读法可以总结为 外向内表内向外 。我来解释一下这句拗口的话。引刚刚的例子：

int *(**ptr) ();

即 int *( (* (*ptr) ) () );

从外向内读，最外是*即 指针 ，向内是 函数指针的声明 ，再向内就是 指针声明 。现在 从内向外理解 ，这是一个 指针 ，指向一个 函数指针 ，函数指针指向函数的返回值是 指针 。

再看个例子：

int *(*ptr)[5];

即 int *( ( *ptr )[5] );

从外向内读，最外是*即 指针 ，向内是 数组的声明 ，再向内就是 指针声明 。现在 从内向外理解 ，这是一个 指针 ，指向一个 数组 ，数组的元素是 指针 。

如何验证

空口无凭。不实际测试一下也无法说明刚刚分析的准确性。但是验证并不容易，有什么能直观表示变量类型的呢？答案还是有的。

还真就有这么一个测试方法，不过是在C++中——RTTI（运行时类型信息）。好在C++基本兼容C语言的类型，所以测试应该也不会有太大的问题。通过typeid运算符，我们能获得一个表示类型的std::type_info对象。当然，你还需要引入头文件typeinfo。std::type_info对象有一个成员函数name，可以返回一个含类型名称的字符串。嘛，总之先写个程序试试。

#include <iostream>
#include <typeinfo>
 
using namespace std;
 
int main() {
    int *(*a)();
 
    cout << typeid(a).name() << endl;
    return 0;
}

看一看输出：

PFPivE

嗯？这是什么鬼？然而同一段代码在隔壁MSVC的输出却是：

int* (*) ()

没错，因为std::type_info的实现是由编译器提供的，所以name的行为自然也随编译器差异而转移。其中，MSVC 、 IBM 、 Oracle等编译器会返回可读性良好的类型名（如：“int* (*) ()”），而gcc与clang却会返回被重整（mangle）的名称。所谓的重整，即将C++源代码的标识符转换成C++ ABI的标识符。所以对应的，我们需要去重整（demangle）。对于GCC，我们可以使用API abi::__cxa_demangle  来完成这个工作。

#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>
 
using namespace std;
 
string demangle(const std::type_info  &ti) {
    int status;
    return abi::__cxa_demangle(ti.name(), 0, 0, &status);
}
 
int main() {
    int *(*a)();
    
    cout << demangle(typeid(a)) << endl;
    return 0;
}

于是输出就变成了：

int* (*)()

当然，也可以通过c++filt指令。

λ c++filt -t PFPivE  int* (*)()

阅读重整化类型（GCC，cross-vendor C++ ABI）

不过，去重整完的类型名似乎并不太能提供多少关于这个类型的信息。反倒是重整过的类型名更加清晰，我们来了解一下GCC中的重整化类型名。GCC使用cross-vendor C++ ABI，于是我们来看看其关于类型重整的编码。

內建类型

基本类型的编码基本上可以用这个表格来概括。

数组类型

数组类型的编码包括维数和元素类型，格式为：

A <维数> _ <类型>

二维数组将会被编码为“数组的数组”。比如int arr[3][4]的类型将会被编码为：A3_A4_i。如果声明时没有显示指定维数，那编译器将会推导一个维数。另外还需注意的是，函数参数中的数组将会被视为指针。

指针类型…

指针类型的编码比较简单，即

P <被指类型>

同样类似语法的还有左值引用（R，C++）、右值引用（O，C++11）、复数对（C，C99）、虚数（G，C99）。

函数类型

函数类型通过P、E对来编码：

P <函数签名类型> E

其中函数签名类型为返回值类型后跟上参数类型。变长类型将会被编码为z，例如printf将会被编码为FiPKczE（返回整数i，参数为常量char指针、变长参数）。事实上这里介绍的格式只是一个简化版本，详细的还请查看文后的文档。

结构体类型

结构体类型通常只由一个简单的名字（source-name）构成：

<名称字符数><名称>

比如对于 struct Test a; ，a的类型将会被编码为4Test。匿名结构体的类型编码要复杂的多，而且还涉及到作用域的问题。由于比较复杂，这里简单提及下。匿名结构体的类型编码除了具有当前作用域的信息，还附带了一个辨别器（discriminator）以一个非负整数以便区分。

随便举两个例子以说明之前分析的正确性。

int *(*a)[5]; => PA5_Pi

一个指针 （P） ，指向一个5宽数组 （A5_） ，数组类型为指针 （P） ，指向整型 （i） 。

int(*(*a)()) => PFPivE

一个指针 （P） ，指向一个函数 （P..E） ，其 返回类型为 指针 （P） 指向整型 （i） ，其 不接受参数 （v） 。

由于这部分内容较多，加之本篇更多侧重于C语言，所以就不做过度深入了。感兴趣的话可以查看相关文档（ https://itanium-cxx-abi.github.io/cxx-abi/abi.html#mangling-type ）。如有机会，我可能会开个坑详细写一写2333

再进一步：BNF范式

之前我提出了 外向内表内向外 的阅读方法。不过这个仅仅是简单的总结，所以这一小节让我们再进一步深究下去，来从C语言的BNF文法中理解类型声明的语法。

BNF范式

如果你对BNF范式有一定了解，请跳过这一段直接去看“分析”节。

巴科斯范式（英语：Backus Normal Form，缩写为 BNF），又称为巴科斯-诺尔范式（英语：Backus-Naur Form，缩写同样为 BNF，也译为巴科斯-瑙尔范式、巴克斯-诺尔范式），是一种用于表示上下文无关文法的语言，上下文无关文法描述了一类形式语言。它是由约翰·巴科斯（John Backus）和彼得·诺尔（Peter Naur）首先引入的用来描述计算机语言语法的符号集。

——巴科斯范式 WIkipedia

简而言之，BNF如是表示语法：

<符号> ::= <使用符号的表达式>

表达式相当于一些字符串，多个表达式可以用’|’分隔。比如十进制数可以这么表示：

<decimal_bit> ::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
<decimal> ::= {<decimal_bit>}+

本分析基于，链接见文末。C语言的一个编译单元（translation unit）由数个外部声明组成（external declaration）。而一个外部声明可以是一个函数定义或者声明。其中，一个声明由 1个或多个声明指定符（declaration specifier） 和 0个或多个初始声明子（init declarator） 再加一个 “; ”构成。

<declaration> ::= {<declaration-specifier>}+ {<init-declarator>}* ;

声明指定符就是“void”、“int”等等类型指定符还有一些其他指定符。我继续跟踪下去：

<init-declarator> ::= <declarator>  | <declarator> = <initializer>
<declarator> ::= {<pointer>}? <direct-declarator>

有点眉目了，我们来分析声明子（declarator）。首先就是指针 <pointer> ：

<pointer> ::= * {<type-qualifier>}* {<pointer>}?

其中 {<pointer>}? 递归（右递归）的定义了多重指针（如：**）。再来看直接声明子（direct declarator）：

<direct-declarator> ::= <identifier>  | ( <declarator> )  | <direct-declarator> [ {<constant-expression>}? ]  | <direct-declarator> ( <parameter-type-list> )  | <direct-declarator> ( {<identifier>}* )

其中， ( <declarator> ) 保证了括号的优先运算， <direct-declarator> [ {<constant-expression>}? ] 对应数组声明， <direct-declarator> ( <parameter-type-list> ) 对应函数与函数指针的声明。而左递归保证了诸如多维数组的声明。

从BNF范式中，我们可以看出指针声明和其他声明的优先级。其中，括号对优先级最高。其次，数组和函数指针的优先级相同，而指针的优先级最低。为了说明更加清楚，我们用经典的“数组指针”和“指针数组”来说明。

int *arr[3];

由于数组声明的优先级更 高 ，所以 arr是个数组 ，*的优先级较 低 所以arr的数组 元素类型是整型指针 。所以这是一个指针数组。

int (*arr)[3];

由于括号对优先级更 高 ，考虑*，所以 arr是个指针 ，数组声明的优先级 较括号对低 ，所以指针 指向的是一个数组 。于是，这是一个数组指针。

回到我们总结的规律。“从外向内”指的是优先级从低到高，“从内向外”指的是声明的语义逐渐“深入”。

1.说出以下声明中变量a的类型，使用typeid验证。

• int *(**a)(int);
• int * (*a[5])(int);
• int (*(*a)[3])[4];

2.写出下列类型重整化后的形式。

• int (**) (double)
• void (*  [3] ) (…)
• 一个指向 一个 元素是 返回整型且不接受参数的 函数指针 的3宽数组 的指针

3.根据说明，写出下列类型。

• PA4_A3_Pi
• 一个元素是 一个指向 一个元素是 整型指针 的3宽数组 的 指针 的4宽数组

One more thing…

喂喂，你全篇都没有提到题目里的第三个吧！行，我们来看看第三个。

int *(*p());

首先，我们并没有看到象征函数指针的 (*p)() 。好像还有点不明白？那按照优先级，我们去除一对多余的括号。

int **p();

龟龟，这不是函数原型嘛！

大家好，我是KAAAsS。真的好久没能写出一篇令我满意的文章了呢。这段时间尝试写过类型论，碰壁之后写无类型λ演算，还尝试写了其他文章，但都欠火候，所以暂存草稿箱。恍然首页已经变成每周歌词堆积最多的一段时间，再恍然9102年已至。我也终于在年末找到素材，有幸写出了这篇文章。虽然文章难说尽善尽美，但能写出来还是很令我欣慰了。对了，祝愿看到这篇文章的你，新年快乐~

Reference

1. typeid 运算符 – cppreference（ https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/typeid ）
2. std::type_info::name – cppreference（ https://zh.cppreference.com/w/cpp/types/type_info/name ）
3. Scope Encoding – Itanium C++ ABI（ https://itanium-cxx-abi.github.io/cxx-abi/abi.html#mangle.substitution ）
4. The syntax of C in Backus-Naur Form（ https://cs.wmich.edu/~gupta/teaching/cs4850/sumII06/The%20syntax%20of%20C%20in%20Backus-Naur%20form.htm ）
5. 巴科斯范式 – 维基百科（ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%B4%E7%A7%91%E6%96%AF%E8%8C%83%E5%BC%8F ）