Effective C An Introduction to Professional C Programming (Robert C. Seacord)（Z-Library）

R O B E R T C . S E A C O R D A N I N T R O D U C T I O N T O P R O F E S S I O N A L C P R O G R A M M I N G E F F E C T I V E C

EFFECTIVE C

E F F E C T I V E C A n I n t r o d u c t i o n t o P r o f e s s i o n a l C P r o g r a m m i n g by Rober t C. Seacord San Francisco

EFFECTIVE C. Copyright © 2020 by Robert C. Seacord. All rights reserved. No part of this work may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior written permission of the copyright owner and the publisher. ISBN-10: 1-7185-0104-8 ISBN-13: 978-1-71850-104-1 Publisher: William Pollock Executive Editor: Barbara Yien Production Manager: Laurel Chun Production Editor: Katrina Taylor Cover Illustration: Gina Redman Interior Design: Octopod Studios Project Editor: Dapinder Dosanjh Developmental Editors: Liz Chadwick and Frances Saux Technical Reviewer: Martin Sebor Copyeditor: Sharon Wilkey Compositor: Happenstance Type-O-Rama Proofreader: Emelie Battaglia Indexer: Chelsea and Drew Hoffman For information on distribution, translations, or bulk sales, please contact No Starch Press, Inc. directly: No Starch Press, Inc. 245 8th Street, San Francisco, CA 94103 phone: 1.415.863.9900; info@nostarch.com www.nostarch.com Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Names: Seacord, Robert C., author. Title: Effective C : an introduction to professional C programming / Robert C. Seacord. Description: San Francisco : No Starch Press, Inc., 2020. | Includes bibliographical references and index. | Summary: “An in-depth guide for developers who already know how to program and want to quickly come up to speed on professional programming in C. It introduces the language’s basic data types and code structures ; addresses best practices and common errors ; and teaches how to debug, test, and analyze C programs” Provided by publisher. Identifiers: LCCN 2020017146 (print) | LCCN 2020017147 (ebook) | ISBN 9781718501041 (paperback) | ISBN 1718501048 (paperback) | ISBN 9781718501058 (ebook) Subjects: LCSH: C (Computer program language) Classification: LCC QA76.73.C15 S417 2020 (print) | LCC QA76.73.C15 (ebook) | DDC 005.13/3--dc23 LC record available at https://lccn.loc.gov/2020017146 LC ebook record available at https://lccn.loc.gov/2020017147 No Starch Press and the No Starch Press logo are registered trademarks of No Starch Press, Inc. Other product and company names mentioned herein may be the trademarks of their respective owners. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, we are using the names only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The information in this book is distributed on an “As Is” basis, without warranty. While every precaution has been taken in the preparation of this work, neither the author nor No Starch Press, Inc. shall have any liability to any person or entity with respect to any loss or damage caused or alleged to be caused directly or indirectly by the information contained in it.

Dedicated to my granddaughters, Olivia and Isabella, and to other young women who will grow up to be scientists and engineers

About the Author Robert Seacord (Robert.Seacord@nccgroup.com) is a Technical Direc- tor at NCC Group, where he develops and delivers secure coding training in C, C++, and other languages. Robert is also an expert on ISO/IEC JTC1/SC22/WG14, the international standardization working group for the C programming language. He is the author of other books, includ- ing The CERT C Coding S tandard, Second Edition (Addison-Wesley, 2014), Secure Coding in C and C++, Second Edition (Addison-Wesley, 2013), and Java Coding Guidelines: 75 Recommendations for Reliable and Secure Programs (Addison-Wesley, 2014). He has also published more than 50 papers on software security, component-based software engineering, web-based system design, legacy-system modernization, component repositories and search engines, and user interface design and development. About the Contributor Aaron Ballman (aaron@aaronballman.com) is a compiler frontend engi- neer for GrammaTech, Inc. and works primarily on the static analysis tool CodeSonar. He is also a frontend maintainer for Clang, a popular open source compiler for C, C++, and other languages. Aaron is an expert for the JTC1/SC22/WG14 C programming language and JTC1/SC22/WG21 C++ programming language standards committees. His primary profes- sional focus has been in helping programmers recognize mistakes in their code through better language design, diagnostics, and tooling. When not thinking about programming, he enjoys spending quiet moments in the woods of rural Maine with his family. About the Tech Reviewer Martin Sebor is Principal Software Engineer with the GNU Toolchain Team at Red Hat. His main focus is the GCC compiler and, in particular, the areas of detecting, diagnosing, preventing security-related issues in C and C++ programs, and implementing optimizations of string-based algorithms. Prior to joining Red Hat in 2015, he worked as a compiler toolchain engi- neer at Cisco. Martin has been a member of the C++ standardization committee since 1999 and a member of the C language committee since 2010. He lives with his wife near the small town of Lyons, Colorado.

B R I E F C O N T E N T S Foreword by Pascal Cuoq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Foreword by Ollie Whitehouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii Chapter 1: Getting Started with C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chapter 2: Objects, Functions, and Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Chapter 3: Arithmetic Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Chapter 4: Expressions and Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 Chapter 5: Control Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 Chapter 6: Dynamically Allocated Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Chapter 7: Characters and Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Chapter 8: Input/Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Chapter 9: Preprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 Chapter 10: Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185 Chapter 11: Debugging, Testing, and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

C O N T E N T S I N D E T A I L FOREWORD BY PASCAL CUOQ XVII FOREWORD BY OLLIE WHITEHOUSE XIX ACKNOWLEDGMENTS XXI INTRODUCTION XXIII A Brief History of C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiv The C Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv The CERT C Coding Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxvi Who This Book Is For . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxvi What’s in This Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxvi 1 GETTING STARTED WITH C 1 Developing Your First C Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Compiling and Running Your Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Preprocessor Directives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 The main Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Checking Function Return Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Formatted Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Editors and Integrated Development Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Compilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 GNU Compiler Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Clang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Microsoft Visual Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Portability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Implementation-Defined Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Unspecified Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Undefined Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Locale-Specific Behavior and Common Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 2 OBJECTS, FUNCTIONS, AND TYPES 13 Objects, Functions, Types, and Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 Declaring Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 Swapping Values (First Attempt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Swapping Values (Second Attempt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 Storage Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

xii   Contents in Detail Object Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Boolean Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Character Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Numerical Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 void Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Function Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Derived Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Pointer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Tags Type Qualifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 const . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 volatile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 restrict . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3 ARITHMETIC TYPES 35 Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 Padding and Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 The <limits .h> Header File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 Declaring Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Unsigned Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Signed Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Integer Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Floating-Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 Floating-Point Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Floating-Point Arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Floating-Point Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Floating-Point Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Arithmetic Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Integer Conversion Rank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Integer Promotions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Usual Arithmetic Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 An Example of Implicit Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Safe Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 EXPRESSIONS AND OPERATORS 57 Simple Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Evaluations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Function Invocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Increment and Decrement Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Operator Precedence and Associativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Contents in Detail   xiii Order of Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Unsequenced and Indeterminately Sequenced Evaluations . . . . . . . . . . . . . . . 65 Sequence Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 sizeof Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Arithmetic Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Unary + and – Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Logical Negation Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Multiplicative Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Additive Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Bitwise Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Complement Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 Shift Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 Bitwise AND Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Bitwise Exclusive OR Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Bitwise Inclusive OR Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Logical Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Cast Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 Conditional Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 _Alignof Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 Relational Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Compound Assignment Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Comma Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Pointer Arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5 CONTROL FLOW 81 Expression Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 Compound Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Selection Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 The if Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 The switch Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Iteration Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 The while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 The do . . .while Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 The for Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Jump Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 The goto Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 The continue Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 The break Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 The return Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 6 DYNAMICALLY ALLOCATED MEMORY 99 Storage Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 The Heap and Memory Managers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 When to Use Dynamically Allocated Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101

xiv   Contents in Detail Memory Management Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 The malloc Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 The aligned_alloc Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 The calloc Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 The realloc Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 The reallocarray Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 The free Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Memory States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Flexible Array Members . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 Other Dynamically Allocated Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 The alloca Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Variable-Length Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Debugging Allocated Storage Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Dmalloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Safety-Critical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7 CHARACTERS AND STRINGS 119 Characters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Unicode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 Source and Execution Character Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 Character Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 Escape Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 Character Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128 Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131 String Literals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 String-Handling Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 <string .h> and <wchar .h> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 Annex K Bounds-Checking Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 POSIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 Microsoft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 8 INPUT/OUTPUT 147 Standard I/O Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 Stream Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 Predefined Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 Stream Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Text and Binary Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Opening and Creating Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 The fopen Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 The POSIX open Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

Contents in Detail   xv Closing Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 The fclose Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 The POSIX close Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 Reading and Writing Characters and Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 Stream Flushing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Setting the Position in a File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 Removing and Renaming Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 Using Temporary Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 Reading Formatted Text Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 Reading to and Writing from Binary Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 9 PREPROCESSOR 169 The Compilation Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 File Inclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171 Quoted and Angle Bracket Include Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 Conditional Inclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 Generating Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173 Using Header Guards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Macro Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Macro Replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178 Type-Generic Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 Predefined Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 10 PROGRAM STRUCTURE 185 Principles of Componentization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 Coupling and Cohesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 Code Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Data Abstractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Opaque Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188 Executables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 Linkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 Structuring a Simple Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192 Building the Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198 11 DEBUGGING, TESTING, AND ANALYSIS 199 Assertions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 Static Assertions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Runtime Assertions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Compiler Settings and Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 GCC and Clang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Visual C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Unit Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211

xvi   Contents in Detail Static Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 Dynamic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 AddressSanitizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 REFERENCES 223 INDEX 227

F O R E W O R D B Y P A S C A L C U O Q The first time I came across Robert Seacord’s name was in 2008. Robert was already well known in the C programming galaxy for his work on the CERT C Coding Standard and Annex K of the C Standard. But in 2008, it had been only a few years since—young and foolish—I had embarked on the Frama-C project to guarantee the absence of undefined behavior in C programs. At some point, a CERT Vulnerability Note about how C compilers (and GCC in particular) removed certain pointer-arithmetic overflow checks, piqued my interest. The compilers had reason to elim- inate the checks: naively written, they invoked unde- fined behavior when the overflow was present.

xviii   Foreword by Pascal Cuoq The C compilers were also allowed to tell the programmer nothing about what they had done wrong, even at the maximum warning level. Undefined behavior in C can be harsh. I had set out to solve this exact problem. Robert was one of the authors of that note. Effective C will teach you C programming for the modern era. It will help you establish good habits to keep you from using undefined behavior, whether voluntarily or through negligence. Let the reader be warned: in large C programs, avoiding ordinary programming errors alone may not suffice for dodging undefined behavior caused by arbitrary inputs! This book’s emphasis on the security aspects of C programming is unmatched. My personal recommendation is that, after reading it, you use all of the available tools it presents to avoid undefined behavior in the C programs you write. Pascal Cuoq Chief Scientist, TrustInSoft