C 语言简介

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历史 #

C 语言最初是作为 Unix 系统的开发工具而发明的。

1969年,美国贝尔实验室的肯·汤普森(Ken Thompson)与丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie)一起开发了 Unix 操作系统。Unix 是用汇编语言写的,无法移植到其他计算机,他们决定使用高级语言重写。但是,当时的高级语言无法满足他们的要求,汤普森就在 BCPL 语言的基础上发明了 B 语言。

1972年,丹尼斯·里奇和布莱恩·柯林汉(Brian Kernighan)又在 B 语言的基础上重新设计了一种新语言,这种新语言取代了 B 语言,所以称为 C 语言。

1973年,整个 Unix 系统都使用 C 语言重写。此后,这种语言开始快速流传,广泛用于各种操作系统和系统软件的开发。

1988年,美国国家标准协会(ANSI)正式将 C 语言标准化,标志着 C 语言开始稳定和规范化。

几十年后的今天,C 语言依然是最广泛使用、最流行的系统编程语言之一,Unix 和 Linux 系统现在还是使用 C 语言开发。

C 语言的特点 #

C 语言能够长盛不衰、广泛应用,主要原因是它有一些鲜明的特点。

(1)低级语言

C 语言能够直接操作硬件、管理内存、跟操作系统对话,这使得它是一种非常接近底层的语言,也就是低级语言,非常适合写需要跟硬件交互、有极高性能要求的程序。

(2)可移植性

C 语言的原始设计目的,是将 Unix 系统移植到其他计算机架构。这使得它从一开始就非常注重可移植性,C 程序可以相对简单地移植到各种硬件架构和操作系统。

除了计算机,C 语言现在还是嵌入式系统的首选编程语言,汽车、照相机、家用电器等设备的底层系统都是用 C 语言编程,这也是因为它良好的可移植性。

(3)简单性

C 语言的语法相对简单,语法规则不算太多,也几乎没有语法糖。一般来说,如果两个语法可以完成几乎相同的事情,C 语言就只会提供一种,这样大大减少了语言的复杂性。

而且,C 语言的语法都是基础语法,不提供高级的数据结构,比如 C 语言没有“类”(class),复杂的数据结构都需要自己构造。

(4)灵活性

C 语言对程序员的限制很少。它假设程序员知道自己在干嘛,不会限制你做各种危险的操作,你干什么都可以,后果也由自己负责。

C 语言的哲学是“信任程序员,不要妨碍他们做事”。比如,它让程序员自己管理内存,不提供内存自动清理功能。另外,也不提供类型检查、数组的负索引检查、指针位置的检查等保护措施。

表面上看,这似乎很危险,但是对于高级程序员来说,却有了更大的编程自由。不过,这也使得 C 语言的 debug 不太容易。

(5)总结

上面这些特点,使得 C 语言可以写出性能非常强、完全发挥硬件潜力的程序,而且 C 语言的编译器实现难度相对较低。但是另一方面,C 语言代码容易出错,一般程序员不容易写好。

此外,当代很多流行语言都是以 C 语言为基础,比如 C++、Java、C#、JavaScript 等等。学好 C 语言有助于对这些语言加深理解。

C 语言的版本 #

历史上,C 语言有过多个版本。

(1)K&R C

K&R C指的是 C 语言的原始版本。1978年,C 语言的发明者丹尼斯·里奇(Dennis Ritchie)和布莱恩·柯林(Brian Kernighan)合写了一本著名的教材《C 编程语言》(The C programming language)。由于 C 语言还没有成文的语法标准,这本书就成了公认标准,以两位作者的姓氏首字母作为版本简称“K&R C”。

(2)ANSI C(又称 C89 或 C90)

C 语言的原始版本非常简单,对很多情况的描述非常模糊,加上 C 语法依然在快速发展,要求将 C 语言标准化的呼声越来越高。

1989年,美国国家标准协会(ANSI)制定了一套 C 语言标准。1990年,国际标准化组织(ISO)通过了这个标准。它被称为“ANSI C”,也可以按照发布年份,称为“C89 或 C90”。

(3)C95

1995年,美国国家标准协会对1989年的那个标准,进行了补充,加入多字节字符和宽字符的支持。这个版本称为 C95。

(4)C99

C 语言标准的第一次大型修订,发生在1999年,增加了许多语言特性,比如双斜杠(//)的注释语法。这个版本称为 C99,是目前最流行的 C 版本。

(5)C11

2011年,标准化组织再一次对 C 语言进行修订,增加了 Unicode 和多线程的支持。这个版本称为 C11。

(6)C17

C11 标准在2017年进行了修补,但发布是在2018年。新版本只是解决了 C11 的一些缺陷,没有引入任何新功能。这个版本称为 C17。

(7)C2x

标准化组织正在讨论 C 语言的下一个版本,据说可能会在2023年通过,到时就会称为 C23。

C 语言的编译 #

C 语言是一种编译型语言,源码都是文本文件,本身无法执行。必须通过编译器,生成二进制的可执行文件,才能执行。编译器将代码从文本翻译成二进制指令的过程,就称为编译阶段,又称为“编译时”(compile time),跟运行阶段(又称为“运行时”)相区分。

目前,最常见的 C 语言编译器是自由软件基金会推出的 GCC 编译器,它可以免费使用。本书也使用这个编译器。Linux 和 Mac 系统可以直接安装 GCC,Windows 系统可以安装 MinGW。但是,也可以不用这么麻烦,网上有在线编译器,能够直接在网页上模拟运行 C 代码,查看结果,下面就是两个这样的工具。

本书的例子都使用 GCC 在命令行进行编译。

Hello World 示例 #

C 语言的源代码文件,通常以后缀名.c结尾。下面是一个简单的 C 程序hello.c。它就是一个普通的文本文件,任何文本编译器都能用来写。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("Hello World\n");
  return 0;
}

上面这个程序的唯一作用,就是在屏幕上面显示“Hello World”。

这里不讲解这些代码是什么意思,只是作为一个例子,让大家看看 C 代码应该怎么编译和运行。假设你已经安装好了 GCC 编译器,可以打开命令行,执行下面的命令。

$ gcc hello.c

上面命令使用gcc编译器,将源文件hello.c编译成二进制代码。注意,$是命令行提示符,你真正需要输入的是$后面的部分。

运行这个命令以后,默认会在当前目录下生成一个编译产物文件a.out(assembler output 的缩写)。执行该文件,就会在屏幕上输出Hello World

$ ./a.out
Hello World

GCC 的-o参数可以指定编译产物的文件名。

$ gcc -o hello hello.c

上面命令的-o hello指定,编译产物的文件名为hello(取代a.out)。编译后就会生成一个名叫hello的可执行文件,相当于为a.out指定了名称。执行该文件,也会得到同样的结果。

$ ./hello
Hello World

GCC 的-std=参数还可以指定按照哪个 C 语言的标准进行编译。

$ gcc -std=c99 hello.c

上面命令指定按照 C99 标准进行编译。