Ekstremalny kod w języku C. Współbieżność i programowanie zorientowane obiektowo - ebook

Jeśli uważasz, że język C dawno został odłożony do lamusa, jesteś w błędzie. Wielu inżynierów oprogramowania o nim zapomniało, jednak C wciąż cieszy się popularnością. Jest przy tym uważany za dość trudny język programowania, gdyż samo opanowanie jego składni to za mało, aby efektywnie go wykorzystywać. Właśnie dlatego ceni się programistów z wnikliwym i naukowym podejściem do reguł i praktyk. Tylko wtedy można wykorzystać możliwości języka C do tworzenia efektywnych systemów. W tym celu profesjonalny programista C musi tworzyć kod na bardzo wysokim poziomie.

To książka przeznaczona dla programistów, którzy chcą stać się ekspertami języka C. Przedstawia zasady pracy z dyrektywami preprocesora, makrami, kompilacją warunkową i ze wskaźnikami. Omawia ważne aspekty projektowania algorytmów, funkcji i struktur. Sporo miejsca poświęcono tu kwestii uzyskiwania maksimum wydajności z aplikacji działających w środowisku o ograniczonych zasobach. Starannie opisano, jak C współpracuje z systemem Unix, w jaki sposób zaimplementowano reguły zorientowane obiektowo w języku C, a także jak wykorzystać wieloprocesowość. To świetny materiał bazowy do samodzielnego badania, zadawania pytań i eksperymentowania z kodem.

W książce między innymi:

• zaawansowane elementy języka C
• struktury pamięci i proces kompilacji
• programowanie zorientowane obiektowo w proceduralnym kodzie C
• tworzenie kodu na niskim poziomie
• współbieżność, wielowątkowość i integracja z innymi językami programowania
• testy jednostkowe i debugowanie oraz komunikacja międzyprocesowa

Programowanie w C: przejdź na najwyższy poziom!

O autorze 11

O recenzentach technicznych 13

Wprowadzenie 15

Rozdział 1. Funkcje podstawowe 23

• Dyrektywy preprocesora 25
  
  • Makra 26
  • Kompilacja warunkowa 39
• Wskaźniki zmiennych 42
  
  • Składnia 43
  • Operacje arytmetyczne na wskaźnikach zmiennych 45
  • Wskaźniki ogólne 48
  • Wielkość wskaźnika 51
  • Zapomniany wskaźnik 51
• Wybrane informacje szczegółowe dotyczące funkcji 54
  
  • Anatomia funkcji 54
  • Waga projektu 55
  • Zarządzanie stosem 55
  • Przekazywanie przez wartość kontra przekazywanie przez referencję 56
• Wskaźniki funkcji 59
• Struktury 61
  
  • Dlaczego struktura? 62
  • Dlaczego typ zdefiniowany przez użytkownika? 62
  • Jakie możliwości oferuje struktura? 63
  • Układ pamięci 64
  • Struktury zagnieżdżone 68
  • Wskaźniki struktur 69
• Podsumowanie 70

Rozdział 2. Od kodu źródłowego do pliku binarnego 73

• Proces kompilacji 74
  
  • Kompilacja projektu w języku C 76
  • Etap 1. Uruchomienie preprocesora 83
  • Etap 2. Kompilacja 84
  • Etap 3. Uruchomienie asemblera 87
  • Etap 4. Linkowanie 90
• Preprocesor 93
• Kompilator 97
  
  • Drzewo składniowe 98
• Asembler 100
• Linker 101
  
  • Jak działa linker? 102
  • Można oszukać linkera! 110
  • Dekorowanie nazw C++ 114
• Podsumowanie 116

Rozdział 3. Pliki obiektowe 117

• Interfejs binarny aplikacji 118
• Formaty plików obiektowych 120
• Relokowane pliki obiektowe 121
• Wykonywalne pliki obiektowe 126
• Biblioteki statyczne 130
• Biblioteki dynamiczne 138
  
  • Ręczne wczytywanie bibliotek współdzielonych 143
• Podsumowanie 145

Rozdział 4. Struktura pamięci procesu 147

• Układ pamięci procesu 148
• Określanie struktury pamięci 149
• Analiza statycznego układu pamięci 150
  
  • Segment BSS 152
  • Segment data 154
  • Segment text 158
• Analiza dynamicznego układu pamięci 160
  
  • Mapowanie pamięci 161
  • Segment stack 165
  • Segment sterty 167
• Podsumowanie 170

Rozdział 5. Stos i sterta 173

• Stos 174
  
  • Analizowanie stosu 175
  • Kwestie związane z używaniem pamięci stosu 182
• Sterta 185
  
  • Alokacja i zwalnianie pamięci na stercie 187
  • Reguły dotyczące pamięci sterty 196
• Zarządzanie pamięcią w ograniczonym środowisku 199
  
  • Środowiska o ograniczonej ilości pamięci 200
  • Środowisko charakteryzujące się większą wydajnością działania 202
• Podsumowanie 208

Rozdział 6. Programowanie zorientowane obiektowo i hermetyzacja 211

• Myślenie w sposób zorientowany obiektowo 214
  
  • Koncepcje myślowe 215
  • Mapowanie idei w głowie i modele obiektowe 216
  • Obiekty nie znajdują się w kodzie 218
  • Atrybuty obiektu 219
  • Domena 220
  • Relacje między obiektami 221
  • Operacje zorientowane obiektowo 222
  • Obiekt ma zdefiniowane zachowanie 224
• Dlaczego język C nie jest zorientowany obiektowo? 225
• Hermetyzacja 226
  
  • Hermetyzacja atrybutu 226
  • Hermetyzacja zachowania 229
  • Ukrywanie informacji 239
• Podsumowanie 246

Rozdział 7. Kompozycja i agregacja 247

• Związki między klasami 247
• Obiekt kontra klasa 248
• Kompozycja 250
• Agregacja 256
• Podsumowanie 263

Rozdział 8. Dziedziczenie i polimorfizm 265

• Dziedziczenie 266
  
  • Natura dziedziczenia 267
• Polimorfizm 281
  
  • Czym jest polimorfizm? 281
  • Do czego jest potrzebny polimorfizm? 284
  • Jak w języku C zaimplementować zachowanie polimorficzne? 285
• Podsumowanie 292

Rozdział 9. Abstrakcja i programowanie zorientowane obiektowo w C++ 293

• Abstrakcja 294
• Zorientowane obiektowo konstrukcje w C++ 297
  
  • Hermetyzacja 298
  • Dziedziczenie 301
  • Polimorfizm 306
  • Klasa abstrakcyjna 309
• Podsumowanie 311

Rozdział 10. UNIX - historia i architektura 313

• Historia systemu UNIX 314
  
  • Systemy operacyjne Multics i UNIX 314
  • Języki BCPL i B 316
  • Droga do powstania języka C 317
• Architektura systemu UNIX 318
  
  • Filozofia systemu UNIX 319
  • Warstwy systemu UNIX 320
• Interfejs powłoki dla aplikacji użytkownika 323
• Interfejs jądra do warstwy powłoki 327
• Jądro 333
• Sprzęt 337
• Podsumowanie 339

Rozdział 11. Jądro i wywołania systemowe 341

• Wywołania systemowe 342
  
  • Wywołania systemowe pod mikroskopem 342
  • Pominięcie standardu C - bezpośrednie wykonanie wywołania systemowego 344
  • Wewnątrz funkcji wywołania systemowego 346
  • Dodanie nowego wywołania systemowego do systemu Linux 348
• Jądro systemu UNIX 361
  
  • Jądro monolityczne kontra mikrojądro 362
  • Linux 364
  • Moduły jądra 364
• Podsumowanie 370

Rozdział 12. Najnowsza wersja C 371

• C11 372
• Określenie obsługiwanej wersji standardu języka C 372
• Usunięcie funkcji gets() 374
• Zmiany wprowadzone w funkcji fopen() 374
• Funkcje sprawdzające granice bufora 376
• Funkcja niekończąca działania 377
• Makra typu generycznego 378
• Unicode 378
• Unie i struktury anonimowe 384
• Wielowątkowość 386
• Słowo o standardzie C18 386
• Podsumowanie 386

Rozdział 13. Współbieżność 389

• Wprowadzenie do współbieżności 390
• Równoległość 391
• Współbieżność 392
• Jednostka zarządcy zadań 393
• Procesy i wątki 395
• Ograniczenie typu "zachodzi wcześniej" 396
• Kiedy należy używać współbieżności 398
• Stan współdzielony 405
• Podsumowanie 410

Rozdział 14. Synchronizacja 411

• Problemy związane ze współbieżnością 412
• Wrodzone problemy ze współbieżnością 413
• Problemy pojawiające się po synchronizacji 423
• Techniki synchronizacji 424
  
  • Techniki busy-waiting i spinlock 425
  • Mechanizm uśpienia-powiadomienia 428
  • Semafory i muteksy 431
  • Wiele jednostek procesora 436
• Blokada typu spinlock 441
  
  • Zmienne warunkowe 442
• Współbieżność w standardzie POSIX 444
  
  • Obsługa współbieżności przez jądro 445
• Wieloprocesowość 447
• Wielowątkowość 450
• Podsumowanie 451

Rozdział 15. Wykonywanie wątków 453

• Wątki 454
• Wątki POSIX 457
• Tworzenie wątków POSIX 458
• Przykład stanu wyścigu 463
• Przykład wyścigu danych 471
• Podsumowanie 474

Rozdział 16. Synchronizacja wątków 477

• Kontrola współbieżności w standardzie POSIX 478
  
  • Muteksy POSIX 478
  • Zmienne warunkowe POSIX 481
  • Bariery POSIX 485
  • Semafory POSIX 487
• Wątki POSIX i pamięć 495
  
  • Pamięć stosu 495
  • Pamięć sterty 500
  • Widoczność pamięci 504
• Podsumowanie 506

Rozdział 17. Wykonywanie procesów 507

• API wykonywania procesu 507
  
  • Tworzenie procesu 510
  • Wykonywanie procesu 515
  • Porównanie tworzenia procesu i wykonywania procesu 517
• Procedura wykonania procesu 518
• Stan współdzielony 519
  
  • Techniki współdzielenia 520
  • Pamięć współdzielona w standardzie POSIX 522
  • System plików 531
• Wielowątkowość kontra wieloprocesowość 534
  
  • Wielowątkowość 534
  • Wieloprocesowość w pojedynczym komputerze 535
  • Wieloprocesowość rozproszona 535
• Podsumowanie 536

Rozdział 18. Synchronizacja procesów 537

• Kontrola współbieżności w pojedynczym hoście 538
• Nazwane semafory POSIX 539
• Nazwane muteksy 543
  
  • Przykład pierwszy 543
  • Przykład drugi 547
• Nazwane zmienne warunkowe 556
  
  • Etap 1. Klasa pamięci współdzielonej 557
  • Etap 2. Klasa współdzielonego licznika w postaci 32-bitowej liczby całkowitej 560
  • Etap 3. Klasa muteksu współdzielonego 562
  • Etap 4. Klasa współdzielonej zmiennej warunkowej 565
  • Etap 5. Logika funkcji main() 568
• Kontrola współbieżności rozproszonej 572
• Podsumowanie 574

Rozdział 19. Gniazda i IPC w pojedynczym hoście 577

• Techniki IPC 578
• Protokół komunikacyjny 580
  
  • Cechy charakterystyczne protokołu 582
  • Sekwencyjność 584
• Komunikacja w pojedynczym hoście 584
  
  • Deskryptory plików 585
  • Sygnały POSIX 585
  • Potoki POSIX 589
  • Kolejka komunikatów POSIX 592
  • Gniazda domeny systemu UNIX 594
• Wprowadzenie do programowania gniazd 595
  
  • Sieci komputerowe 595
  • Na czym polega programowanie gniazda? 607
• Podsumowanie 614

Rozdział 20. Programowanie oparte na gniazdach 615

• Podsumowanie informacji o programowaniu gniazd 616
• Projekt kalkulatora 618
  
  • Hierarchia kodu źródłowego 619
  • Zbudowanie projektu 623
  • Uruchomienie projektu 623
  • Protokół aplikacji 624
  • Biblioteka serializacji i deserializacji 627
  • Usługa kalkulatora 632
• Gniazda domeny systemu UNIX 634
  
  • Serwer strumienia UDS 634
  • Klient strumienia UDS 641
  • Serwer datagramu nasłuchujący na gnieździe UDS 644
  • Klient datagramu używającego gniazda UDS 648
• Gniazda sieciowe 650
  
  • Serwer TCP 650
  • Klient TCP 652
  • Serwer UDP 653
  • Klient UDP 654
• Podsumowanie 655

Rozdział 21. Integracja z innymi językami programowania 657

• Dlaczego integracja w ogóle jest możliwa? 658
• Pobranie niezbędnych materiałów 659
• Biblioteka stosu 660
• Integracja z C++ 666
  
  • Dekorowanie nazw w C++ 667
  • Kod C++ 669
• Integracja z Javą 673
  
  • Utworzenie kodu w Javie 674
  • Przygotowanie części natywnej 679
• Integracja z Pythonem 686
• Integracja z Go 689
• Podsumowanie 692

Rozdział 22. Testy jednostkowe i debugowanie 695

• Testowanie oprogramowania 696
  
  • Poziomy testowania 697
• Testy jednostkowe 698
  
  • Dublery używane podczas testów 706
• Testowanie komponentu 707
• Biblioteki testowania kodu w C 709
  
  • Framework CMocka 710
  • Google Test 718
• Debugowanie 722
  
  • Kategorie błędów 724
  • Debugery 724
  • Narzędzia profilowania pamięci 726
  • Debugery wątków 728
  • Narzędzia do profilowania wydajności działania 729
• Podsumowanie 730

Rozdział 23. Systemy kompilacji 731

• Czym jest system kompilacji? 732
• Make 733
• CMake - to nie jest system kompilacji! 740
• Ninja 745
• Bazel 747
• Porównanie systemów kompilacji 750
• Podsumowanie 750
• Epilog 751