第1章 C语言简介

英文原版：P1

什么是C语言？
简单的答案：一种广泛使用的编程语言，该语言是由贝尔实验室在20世纪70年代早期开发。
这个简单的答案没有体现出C语言独有的风格。
在深入C语言的细节之前，先看一看C语言从哪里来，C语言为啥而设计，这么多年来发生了哪些变化等。然后，讨论一下C语言的长处和缺点，基于C语言如何才能获得最多的好处等。

1.1 C语言的历史

快速浏览一下C语言的历史：从它的起源，到它成为标准语言的时代，再到它对新近产生的语言的影响。

起源

C语言是UNIX操作系统的副产物，UNIX操作系统是由Bell实验的Ken Thompson、Dennis Ritchie等人开发的。

1969年，Thompson一个人使用汇编语言编写了UNIX的初始版本，该初始版本可在Dec PDP-7计算机上运行。
Dec PDP-7计算机是一台早期的微型计算机，内存只有8K个字。

跟同时代的其他操作系统一样，UNIX是用汇编语言编写的。由于使用汇编语言编写的程序通常很容易出bug，很难维护，UNIX也不例外，所以Thompson决定为后续的Unix开发一种更高级的语言。
Thompson基于BCPL设计了B语言。BCPL是一种在20世纪60年代中期开发的系统编程语言，可追溯其祖宗到Algol 60，其中Algol 60是最有影响和最早的编程语言之一。
Ritchie很快就加入了UNIX项目，并使用B语言编程。

1970年，Bell实验室为UNIX项目获取了一台PDP-11。当B语言能在PDP-11上启动并运行时，Thompson就使用B语言重写了部分UNIX。

截止1971年，由于B语言非常不适合PDP-11，所以Ritchie就开发了B语言的拓展版本。
最初，Ritchie将他的新语言叫做NB。后来，随着NB跟B语言的差别越来越大，Ritchie就将名字由NB改成C语言。

到1973年，C语言已经足够稳定，可使用C语言来重写UNIX系统。

从汇编语言切换到C语言提供了一种非常重要的特征：可移植性。通过为Bell实验室的其他计算机编写C语言的编译器，UNIX团队可使UNIX能在那些安装了C语言编译器的机器上运行。

C语言标准：C89、C99

在整个20世纪70年代里，C语言继续演变，尤其是在1977年到1979年。正好在这一时期，有关C语言的第一本书出现了。由Brian Kernighan和Dennis Ritchie所写的《C Programming Language》在1978年出版，很快就成为C程序员的圣经。由于缺少有关C的官方标准，所以这本书就暂时充当所谓的标准。

在整个20世纪70年代，有相对较少的C程序员，且这些C程序员又是UNIX的用户。截止20世纪80年代，C语言已经拓展到了UNIX的狭窄边界之外。C编译器在许多运行着不同操作系统的机器上都可用。尤为特殊的是，C语言开始在快速增长的IBM PC平台上确立自己。

伴随着C语言的流行，同时也出现了很多问题。编写新的C编译器的程序员拿K&R当做参考书。不幸的是，由于K&R对一些语言特征讲的很模糊，导致编译器对待这些特征的方式也不同。还有，K&R没能清楚地区分哪些特征是属于C语言的，哪些特征是属于UNIX的。更糟糕的是，在K&R出版后，C语言继续变化，添加了一些新的特征，移除了部分老旧的特征。此时，显然需要一份全面的、精确的、持续更新的C语言描述规范。如果没有这样的一个标准，将会出现有关C语言的各种方言版本，会极大地破坏C程序的可移植性，其中可移植性是C程序的主要的优势之一。

在美国国家标准委员会ANSI的主持下，从1983年起，有关C语言的美国标准开始开发。
在许多版本后，在1988年，标准开发完成。
在1989年12月，作为ANSI标准X3.159-1989正式发布。
在1990年，该标准被国际标准组织ISO接受，作为国际标准ISO/IEC 9899:1990。
因此，这一版本的C语言标准常被引用为C89或者C90，用于区分C语言的初始版本K&R。附录C中总结了C89和K&R之间的不同。
在1995年，C语言经历了一些改动。
在1999年，C语言发生了更多的意义重大的改动，作为新的标准ISO/IEC 9899:1999。用这个标准描述的C语言被称为C99。

由于C99还不是通用的，且还需要维护使用旧版本C语言编写的上百万行代码，所以本书将会使用一些标记来说明这个特征是C99里添加的。没有识别C99的特征的编译器跟C99不是兼容的。如果历史可以作为参考的话，在所有的C编译器都编程C99兼容型之前还要花费一段时间。在附录B中列举了C99和C89之间的区别。

基于C的语言：C++、Java、C#

C语言对当今的编程语言有着深远的影响，其中许多语言都从C语言中借鉴了很多。在许多基于C的语言里，有一些是非常流行：

• C++
  C++包括了C的所有特征，但添加了类class和其他特征来支持面向对象编程；
• Java
  Java是基于C++的，因此继承了许多C的特征；
• C#
  C#是更新的、从C++和java导出的语言；

考虑到较新的编程语言的流行，很自然的提出一个问题：是否还值得花费功夫来学习C语言？
第一，学习C语言可让你更深刻地理解C++、Java、C#等语言的一些特征。许多学习C++、Java、C#等语言的程序员经常不能掌握从C语言继承过来的一些基本特征。
第二，存在许多老旧的C语言程序，可能需要你去阅读和维护。
第三，C语言仍被用于开发新的软件，尤其是内存有限情形或者处理器性能有限情形或者需要C语言简单性的情形等。

如果你还没有使用过C++、Java、C#等语言之一，则你将会发现本书会为学习这些语言打下坚实基础。本书强调数据抽象、信息隐藏等在面向对象编程里扮演重要角色的原理。

由于C++包含了C的所有特征，所以如果您后来接触C++的话，您就可以用上所有从本书学到的知识。此外，C语言的许多特征也能在其他基于C的编程语言中发现。

1.2 C语言的优点和缺点

跟其他编程语言一样，C语言有优点，也有缺点。
C语言的优点和缺点都源自C语言的最初的使用(编写操作系统和其他软件)及其基本哲学：

• C语言是一种底层语言
  作为一种为服务于系统编程而生的编程语言，C语言可访问其他语言尽力隐藏的机器级别的概念(比如字节及地址)；
  C语言提供一些跟计算机内置指令紧密相关的操作，以便程序可快速执行；
  由于应用程序要依赖操作系统来完成I/O、存储管理等服务，所以操作系统不能容忍执行速度慢；
• C语言是一种小语言
  跟其他语言相比，C语言提供了更小的特征集；
  为了保持小数量的语言特征，C语言严重依赖标准库函数；
• C语言是一种自由度很高的语言
  由于C语言假设您知道你正在做什么，所以C语言允许给您的自由度要比其他语言高；
  C语言没有强制要求详细的错误检查机制；

C语言的优点

C语言的优点对解释为什么C语言如此流行有帮助：

• 效率高；
  从C语言诞生起，效率高就一直是其优点之一；
  因为C语言是为曾使用汇编语言的应用而开发的，所以C程序能在有限的内存上运行地快很关键；
• 可移植性；
  虽然程序的可移植性不是C语言的主要目标，但是已证明可移植性是C语言的优点之一；
  当一个程序能在从PCs到超级计算机上都能运行时，则这个程序经常都是使用C语言编写的；
  C程序拥有可移植性的一个原因是多亏了C语言早期跟UNIX系统及后来的ANSI/ISO标准的联系；另一个原因是C编译器很小且很容易编写，使得C程序的到处可得；
  C语言自身有一些特征就支持可移植性；
• 功能强大；
  C语言大量的数据类型和运算符使其成为一种功能强大的语言；
  其他语言通常需要很多行代码完成的工作，如果使用C语言，则仅需几行；
• 灵活性；
  虽然C语言最初是为系统编程而设计的，但是C语言并没有内在的非得要局限在系统方面的限制；
  C语言适用于各种类型的应用，从嵌入式系统到商业数据处理等；
  C语言对其特征的使用有非常少的限制，在其他语言里有些操作是非法的，但在C语言里是合法的，比如C语言允许一个整数值(或者一个浮点数)和一个字符相加等；
  这种灵活性使得编程更容易；
• 标准库；
  C语言跟其他语言相比的巨大优势就是C语言的标准库，这个标准库包含上千个函数，比如I/O、字符串处理、存储分配等；
• 跟UNIX相互整合；
  跟UNIX的结合使得C语言非常强大；实际上，有些UNIX工具本身就假设用户知道C语言；

C语言的缺点

• 容易出错
  C语言的灵活性使其成为一门容易出错的语言；
  在其他语言里通过编译器可检测出的编程错误不能被C编译器检测到；从这方面讲，C语言非常像汇编语言，许多错误直到运行时才能被检测出；更糟糕的是，对于粗心的人，C语言包含一些陷阱；在后面的章节里，我们将看到一个额外的分号如何导致死循环，缺少一个&符号是如何导致程序崩溃的；
• 难于理解
  一个问题是虽然C语言是一门小型的语言，但是C语言有一些特征是在其他语言里没有的；这些特征可以多种方式进行组合，导致有些特征对于程序作者来说很显然，但对于别人来说很难理解；因此，为了最小化进入和编辑程序花费的时间，程序C程序有目的地保持简洁；C语言的灵活性也能成为一个负面因素，比如很聪明的程序员可能会使程序变得不可能被理解；
• 难于修改
  如果使用C语言编写大型程序时没有时刻牢记程序的可维护性，则修改该程序会很难；现在的编程语言都提供一些特征，比如类class和包packages来将一个大型程序分割成多个可管理的单元，但C语言没有这些特征；

有效使用C语言

有效地使用C语言要求利用C语言的优点，同时尽可能地避免C语言的缺点。这里给出一些建议：

• 学习如何避免C语言的陷阱
  完整的C语言的陷阱，可参考《C traps and Pitfalls》;
• 使用软件工具来使程序更可靠
  C程序员是多产的工具构建者；最著名的C语言工具之一就是lint；lint最初是由UNIX提供的，比大部分C编译器能提供更多的错误分析；如果lint可用的话，则最好就使用；
  另一个有用的工具就是debugger；由于C语言的本质，C编译器检测不出许多bugs，这些bugs通常表现为运行时错误或者不正确的输出；因此，对于C程序员来说，必须会使用一个优秀的debugger；
• 多利用现存代码库
  使用C语言的好处之一就是如此多的人都在使用它，你可以在你的程序里使用他们编写的代码；C代码通常是打包成库的；获取一个合适的库是减少错误和节省编程工作的的一种好方法；常见任务的库，包括用户界面开发、图形库、通信库、数据库管理、网络库等都是可用的；有些库是开放的，有些库是可售卖的；
• 采用编码约定
  一种编程约定是一种程序员决定采用的编码风格；良好的编码风格会使代码更统一、更容易读、更容易修改；使用C语言时，编码约定很重要；C语言的灵活性导致程序员写出很多不可读的代码；本书中的代码遵循一套约定；
• 避免过分的技巧和过复杂的代码
  C程序员鼓励编程技巧；使用C语言来完成一个任务通常有许多方式；程序员通常会选择最简单的；最简单的通常是最难理解的；
• 遵循标准
  大部分C编译器都提供一些不在C89或者C99中的特征和库函数；为了保证可移植性，最好避免使用非标准的特征和库，除非这些特征和库是必要的；