Hong's Blog, C语言中的名字空间

《The Standard C Library》（《C标准库》）中有这么一道习题，

0.2 编写一个包含下面这行代码的（正确的）程序：    
    x: ((struct x*)x)->x = x(8);   
描述x的5个不同的用途。

下面是一个答案，

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define x(a) ((a)*(a))

struct x {
    int x;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    void *x = malloc(sizeof(struct x)); 
    goto x;

    x: ((struct x*)x)->x = x(8); /* THE LINE */
    
    printf("%d\n", ((struct x*)x)->x);
    return 0;
}

这个程序能正确地编译、运行，其结果为64。

可以看到程序中，同一个标识符（identifier）x在“行THE LINE”中出现了5次，但是编译器能正确地找出每个x标识符所指定实体（entity）。这是因为5个x（用于预处理器对宏的展开，实际上是4个x）分别属于不同的名字空间（name space）。不同名字空间中的实体可以使用相同的标识符；当然，同一名字空间里的不同实体也有可能使用相同的标识符，比如，

int foo()
{
	int bar;
	{
		double bar;
	}
}

只是在inner scope里，int类型的bar是不可见的。

根据C语言的标准，有四种不同的名字空间。

If more than one declaration of a particular identifier is visible at any point in a translation unit, the syntactic context disambiguates uses that refer to different entities. Thus, there are separate name spaces for various categories of identifiers, as follows:
如果在一个翻译单元（比如一个.c文件）里的某个点（比如某行代码），一个标识符出现了多次，那么编译器会尝试消除歧义，去找到每次出现所对应的实体。

label names (disambiguated by the syntax of the label declaration and use);
所有标签名组成一个名字空间。编译器通过标签的语法（label:）来确认一个标识符是不是属于该名字空间。

the tags of structures, unions, and enumerations (disambiguated by following any of the keywords struct, union, or enum);
所有结构体、联合、枚举的名字组成一个名字空间。编译器通过关键字struct,union,enum来消除歧义。

the members of structures or unions; each structure or union has a separate name >space for its members (disambiguated by the type of the expression used to access the >member via the . or -> operator);
一个结构体或者联合里的成员的名字组成一个名字空间。编译器通过.或者->来消除歧义。

all other identifiers, called ordinary identifiers (declared in ordinary >declarators or as enumeration constants).
所有其它的标识符组成一个名字空间。

现在解释下编译器是怎么对x: ((struct x*)x)->x = x(8);消除歧义的。

第一个x：
看到x:，编译器知道这个x是一个标签名字。
第二个x：
看到struct x，编译器知道这个x是一个结构体名字。
第四个x：
看到->，编译器知道这个x是结构体中的某个成员名字。
第五个x：
通过gcc -E file.c，可以看到经过预处理后已经没有这个x了，预处理后的代码如下，
x: ((struct x*)x)->x = ((8)*(8));
第三个x：
属于普通的名字空间中的一个标识符。
可以看到编译器清楚地知道每个x的含义，所以编译能顺利地进行下去。

如果把宏定义换成函数定义，即把#define x(a) ((a)*(a))换成int x(a) { return a*a;},编译会出错。
因为在“行THE LINE”所在的scope中，指针x会令函数名x变得不可见。编译器会认为你把一个void *指针当成了函数，于是报错： error: called object ‘x’ is not a function

C标准里说：

Different entities designated by the same identifier either have different scopes, or are in different name spaces.
同一个标识符可以指定不同的实体，只要它们在不同的scope里，或者它们在不同的名字空间里。

所以定义两个都叫x的结构体，或者一个叫x的结构体和一个叫x的联合是错误的。同样的，在file scope里定义,

int x;
void x() { /* … */ }

也是错误的。

其它相关的C标准：

There are four kinds of scopes: function, file, block, and function prototype.

An identifier can denote an object; a function; a tag or a member of a structure, union, or enumeration; a typedef name; a label name; a macro name; or a macro parameter.

Each subsequent instance of the function-like macro name followed by a ( as the next preprocessing token introduces the sequence of preprocessing tokens that is replaced by the replacement list in the definition (an invocation of the macro).

上面的程序里定义的宏是一个“类函数”的宏，在预处理时当编译器看到x(8)形式的代码会进行展开；仅仅看到x不会展开。

《The Standard C Library》有一张表，

+---+---+ INNERMOST BLOCK         FILE LEVEL
|   |   |-----------------+     +----------------+
|   |   |type definitions |     |type definitions|
|   |   |functions        |     |functions       |
| M | K |data objects     |     |data objects    |
| A | E |enumeration      | ... |enumeration     |
| C | Y +-----------------+     +----------------+
| R | W |enumeration tag  |     |enumeration tag |
| O | O |structure tag    |     |structure tag   |
| S | R |union tag        |     |union tag       |
|   | D +-----------------+-----+----------------+
|   | S |members of a structure or union         |
|   |   |parameters within a function prototype  |
|   |   +----------------------------------------+
|   |   |members of a structure or union         |
|   |   |parameters within a function prototype  |
|   |   +----------------------------------------+
|   |   |                   ...
|   |   +---------------------+
|   |   | goto labels         |
+---+---+---------------------+ >You can use a name only one way within a given name space. If the translator recognizes a name as belonging to a given name space, it may fail to see another use of the name in a different name space. In the figure, a name space box masks any name space box to its right.

左边盒子里的名字（标识符）会“覆盖”右边的名字。宏总是有最大的优先级，因为程序总是先进行预处理。其次是关键字，所以你不能将一个变量的标识符命名成某个关键字。另外，不同的scope中的名字也有不同的优先级，最里层的scope中的名字会“覆盖”外围scope中的同名标识符。