第1章 C语言概述

第1章 C语言概述

如果有人说“我想要一种语言,只需对它说我要干什么就行”,给他一支棒棒糖好了。“

什么是C语言?它是20世纪70年代初期在贝尔实验室开发出来的一种广为使用的编程语言。这一简单回答显然没能传达出C语言的特别之处。不过别急,在深入学习这门语言之前,让我们先来回顾一下C语言的起源、设计目标和这么多年来的发展(1.1节)。我们还将讨论C语言的优缺点,以及如何高效地使用C语言(1.2节)。

1.1 C语言的历史

本节对C语言的历史作一个简单的回顾,从它的起源到它成为一种标准化语言,再到它对近代编程语言的影响。

1.1.1 起源

C语言是贝尔实验室的Ken Thompson、Dennis Ritchie等人开发的UNIX操作系统的“副产品”。Thompson独自编写出了UNIX操作系统的最初版本,这套系统运行在DEC PDP-7计算机上。这款早期的小型计算机仅有16KB的内存(毕竟那是在1969年)。

与同时代的其他操作系统一样,UNIX系统最初也是用汇编语言编写的。用汇编语言编写的程序往往难以调试和改进,UNIX系统也不例外。Thompson意识到需要一种更加高级的编程语言来完成UNIX系统未来的开发,于是他设计了一种小型的B语言。Thompson的B语言是在BCPL语言(20世纪60年代中期产生的一种系统编程语言)的基础上开发的,而BCPL语言又可以追溯到最早(且影响最深远)的语言之一——Algol 60语言。

不久,Ritchie也加入到UNIX项目中,并且开始着手用B语言编写程序。1970年,贝尔实验室为UNIX项目争取到一台PDP-11计算机。当B语言经过改进并能够在PDP-11计算机上成功运行后。Thompson用B语言重新编写了部分UNIX代码。到了1971年,B语言已经明显不适合PDP-11计算机了,于是Ritchie着手开发B语言的升级版。最初,他将新开发的语言命名为NB语言(意为“New B”),但是后来新语言越来越偏离B语言,于是他将其改名为C语言。到了1973年,C语言已经足够稳定,可以用来重新编写UNIX系统了。改用C语言编写程序有一个非常重要的好处:可移植性。只要为贝尔实验室的其他计算机编写C语言编译器,他们的团队就能让UNIX系统也运行在那些机器上。

1.1.2 标准化

C语言在20实际70年代(特别是1977年到1979年之间)持续发展。这一时期出现了第一本有关C语言的书。Brian Kernighan和Dennis Ritchie合作编写的The C Programming Language一书与1978年出版,并迅速成为C程序员必读的“圣经”。由于当时没有C语言的正式标准,所以这本书就成为了事实上的标准,编程爱好者把它称为”K&R“或者”白皮书“。

在20世纪70年代,C程序员相对较少,而且他们中的大多数人都是UNIX系统的用户。然而,到了20世纪80年代,C语言已不再局限于UNIX领域。运行在不同操作系统下的多种类型的计算机都开始使用C语言编译器。特别是迅速壮大的IBM PC平台也开始使用C语言。

随着C语言的迅速普及,一系列问题也接踵而来。编写新的C语言编译器的程序员都用“K&R”作为参考。但是遗憾的是,”K&R“对一些语言特性的描述非常模糊,以至于不同的编译器常常会对这些特性做出不同的处理。而且,”K&R“也没有对属于C语言的特性和属于UNIX系统的特性进行明确的区分。更糟糕的是,”K&R“出版以后C语言仍在不断变化,增加了新特性并且去除了一些旧的特性。很快,C语言需要一个全面、准确的最新描述开始成为共识。如果没有这样一种标准,就会出现各种”方言“,这势必威胁到C语言的主要优势——程序的可移植性。

1983年,在美国国家标准协会(ANSI)的推动下,美国开始制订本国的C语言标准。经过多次修订,C语言标准与1988年完成并在1989年12月正式通过,成为ANSI标准X3.159-1989。1990年,国际标准化组织(ISO)通过了此项标准,将其作为ISO/IEC 9899:1990国际标准。我们把这一C语言版本称为C89或C90,以区别于原始的C语言版本(经典C)。附录C总结了C89和经典C之间的主要差异。

1995年,C语言发生了一些改变(相关描述常见Amendment 1文档)。1999年通过的ISO/IEC 9899:1999新标准中包含了一些更重要的改变,这一标准所描述的语言通常称为C99。由于存在两种标准,以前用于描述C89的ANSI C、ANSI/ISO C和ISO C等术语现在就有了二义性。

由于C99还没有得到普及使用,并且我们需要维护数百万(甚至数十亿)行的旧版本C代码,本书中我将用一个特殊的图标来标记C99对C99新增特性的讨论。不能识别这些新增特性的编译器就不是“C99兼容的”。根据以往的经验,至少还需要再过几年才能让所有的C编译器都成为C99兼容的(也仅限于那些真正的C编译器)。附录B列出了C99和C89的主要差别。

1.1.3 基于C的语言

C语言对现代编程语言有着巨大的影响,许多现代编程语言都借鉴了大量C语言的特性。在众多基于C的语言中,以下几种非常具有代表性。

  • C++:包括了所有C特性,但增加了类和其他特性以支持面向对象编程。
  • Java:是基于C++的,所以也继承了C的许多特性。
  • C#:是由C++和Java发展起来的一种较新的语言。
  • Perl:最初是一种非常简单的脚本语言,在发展过程中采用了C的许多特性。

考虑到这些新语言的普及程度,人们自然会问:“C语言还值得学习吗?”我想答案是肯定的,原因如下:第一,学习C有助于更好地理解C++、Java、C#、Perl以及其他基于C的语言的特性,一开始就学习其他语言的程序员往往不能很好地掌握继承自C语言的基本特性;第二,目前仍有许多C程序,我们需要读懂并维护这些代码;第三,C语言仍然广泛用于新软件开发,特别是在内存或处理能力受限的情况下以及需要使用C语言简单特性的地方。

如过读者还没有学习上述任何一种基于C的语言,那么本书将是一本非常好的预备教材。本书强调了数据抽象、信息隐藏和其他在面向对象编程中非常重要的原理。C++语言包含了C语言的全部特性,因此读者今后在使用C++语言时可以用到从本书中学到的所有知识。在其他基于C的语言中也能发现许多C语言的特性。

1.2 C语言的优缺点

与其他任何编程语言一样,C语言也有自己的优缺点。这些优缺点都源于该语言的最初用途(编写操作系统和其他系统软件)和它自身的基础理论体系。

  • C语言是一种底层语言。为了适应系统编程的需要,C语言提供了对机器级概念(例如,字节和地址)的访问,而这些是其他编程语言试图隐藏的内容。此外,C语言还提供了与计算机内置指令紧密协调的操作,使得程序可以快速执行。应用程序的输入/输出、存储管理以及其他众多服务都依赖于操作系统,因此操作系统一定不能运行得太慢。
  • C语言是一种小型语言。与其他许多编程语言相比,C语言提供了一套更有限的特性集合。(在K&R第2版的参考手册中仅用49页就描述了整个C语言。)为了使特性较少,C语言在很大程度上依赖一个标准函数的“库”(“函数”类似于其他编程语言中描述的“过程”、”子例程“或”方法“)。
  • C语言是一种包容性语言。C语言假设用户知道自己在做什么,因此它提供了比其他许多语言更广阔的自由度。此外,C语言不像其他语言那样强制进行详细的错误检查。

1.2.1 C语言的优点

C语言的众多优点有助于解释为什么这种语言如此流行。

  • 高效。高效性是C语言与生俱来的优点之一。发明C语言就是为了编写那些以往由汇编语言编写的应用程序,所以对C语言来说,能够在有限的内存空间里快速运行就显得至关重要了。
  • 可移植。虽然程序的可移植性并不是C语言的主要目标,但它还是成为了C语言的优点之一。当程序必须在多种机型(从个人计算机到超级计算机)上运行时,常常会用C语言来编写。C语言具有可移植性的一个原因是该语言没有分裂成不兼容的多种分支(这要归功于C语言早期与UNIX系统的结合以及后来的ANSI/ISO标准)。另一个原因是C语言编译器规模小且容易编写,这使得他们得以广泛应用。最后,C语言自身的特性也支持可移植性(尽管它没有阻止程序员编写不可移值的程序)。
  • 功能强大。C语言拥有一个庞大的数据类型和运算符集合,这个集合使得C语言具有强大的表达能力,往往寥寥几行代码就可以实现许多功能。
  • 灵活。虽然C语言最初设计是为了系统编程,但是没有固有的约束将它限制在此范围内。C语言现在可以用于编写从嵌入式系统到商业数据处理的各种应用程序。此外,C语言在其特性使用上的限制非常少。在其他语言中认定为非法的操作在C语言中往往是允许的。例如,C语言允许一个字符与一个整数值相加(或者是与一个浮点数相加)。虽然灵活性可能会让某些错误溜掉,但是它却使编程变得更加轻松。
  • 标准库。C语言的一个突出优点就是它具有标准库,该标准库包含了数百个可以用于输入/输出、字符串处理、存储分配以及其他实用操作的函数。
  • 与UNIX系统的集成。C语言在与UNIX系统(包括广为认知的Linux)结合方面特别强大。事实上,一些UNIX工具甚至假定用户是了解C语言的。

1.2.2 C语言的缺点

C语言的缺点和它的许多优点是同源的,均来自C语言与机器的紧密结合。下面是众所周知的几个问题。

  • C程序更容易隐藏错误。C语言的灵活性使得用它编程出错的概率较高。在用其他语言编程时可以发现的错误,C语言编译器却无法检查到。从这方面来说,C语言与汇编语言极为相似,后者直到程序运行时才能检查到大多数错误。更糟的是,C语言还包含大量不易觉察的隐患。在后续的章节中我们将会看到,一个额外的分号可能会导致无限循环,遗漏一个&可能会引起程序崩溃。
  • C程序可能难以理解。虽然根据大多数衡量标准C语言是一种小型语言,但是它也有许多其他通用语言没有的特性(并且常常被误解)。这些特性可以用多种方式结合使用,其中的一些结合方式尽管编程者心知肚明,但是其他人恐怕难以理解。另一个问题就是C语言简明扼要的特性。C语言产生的时候正是人机交互最为单调乏味的时期,因此设计者特意使C语言简明扼要以便将录入和编辑程序的用时减到最少。C语言的灵活性也可能使一个负面因素,过于聪明的程序员甚至可以编写出除了他们自己几乎没人可以读懂的程序。
  • C程序可能会难以修改。如果在设计中没有考虑到维护的问题,那么C语言编写的大规模程序将很难修改。现代的编程语言通常都会提供“类”和“包”之类的语言特性,这样的特性可以把大的程序分解成许多更容易管理的模块。遗憾的是,C语言恰恰缺少这样的特性。

模糊的C语言

即使是那些最热爱C语言的人也不得不承认C代码难以阅读。每年一次的国际模糊C代码大赛(Inernational Obfuscated C Code Conest)竟然鼓励参赛者编写最难以理解的C程序。获奖作品着实让人感觉莫名其妙。例如1991年的“最佳小程序”如下:

v,i,j,k,l,s,a[99];
main() {
    for(scanf("%d",&s); *a-s; v=a[j*=v]-a[i], k=i<s, j+=(v=j<s&&(!k&&!!printf(2+"\n\n%c"-(!l<<!j)," #Q"[l^v?(l^j)&1:2])&&++l||a[i]<s&&v&&v-i+j&&v+i-j))&&!(l%=s),v||(i==j?a[i+=k]=0:++a[i])>=s*k&&++a[--i])
        ;
}

这个程序是由Doron Osovlanski和Baruch NIssenbaum共同编写的,其功能是打印出八皇后问题(此问题要求在一个棋盘上放置8个皇后,使得皇后之间不会出现相互“攻击”的局面)的全部解决方案。事实上,此程序可用于求解皇后数量在4~99范围内的全部问题。更多的获奖程序可以到竞赛网站www.ioccc.org获取。

1.2.3 高效地使用C语言

高效地使用C语言要求在利用C语言优点的同时要避免它的缺点。下面是一些建议。

  • 学习如何规避C语言的缺陷。规避缺陷的提示遍布全书,寻找。如果想看到更详尽的缺陷列表,可以参考Andrew Koenig的《C陷阱与缺陷》一书。现代编译器可以检查到常见的缺陷并且发出警告,但是没有一个编译器可以侦察出全部缺陷。
  • 使用软件工具使程序更加可靠。C程序员是众多软件工具的制造者(和使用者)。Q&Alint是最著名的C语言工具之一,一般由UNIX系统提供。与大多数C语言编译器相比,lint可以对程序进行更加广泛的错误分析。如果可以的奥lint(或某个类似的程序),那么使用它应该是个好主意。另一个有益的工具是调试工具。由于C语言的本性,许多错误无法被C编译器查出。这些错误会以运行时错误或不正确输出的形式表现出来。因此,在实践中C程序员都必须能够很好地使用调试工具。
  • 利用现有的代码库。使用C语言的一个好处是其他许多人也在使用C。把别人编写好的代码用于自己的程序是一个非常好的注意。C代码经常被打包成库(函数的集合)。获取适当的库既可以大大减少错误,也可以节省相当多的编程工作。用于常见任务(包括用户界面开发、图形学、通信、数据库管理以及网络等)的库很容易获得。有些库是公用的,有些是开源的,而有些则是作为商品销售的。
  • 采用一套切合实际的编码规范。编码规范是一套设计风格准则,即使语言本身没有强制要求,程序员也决定遵守。精心选择的规范可以使程序更加统一,并且易于阅读和修改。使用任何一种编程语言时,规范都很重要,对C语言来说尤其如此。正如前面所说的,C语言本身具有高度的灵活性,这使得程序员编写的代码可能会难以理解。本书的编程示例只遵循一套编码规范,但是,还有其他一些同样有效的规范可以使用。(本书将穿插讨论一些可供选择的方法。)选用哪套编码规范并不重要,重要的是必须采纳某些规范并且坚持使用它们。
  • 避免“投机取巧”和极度复杂的代码。C语言鼓励使用编程技巧。通常用C语言完成某项指定任务时会有多种解决途径,程序员经常会尝试选择最简洁的方式。但是,千万不要没有节制,因为最简略的解决方式往往也是最难以理解的。本书将给出一种相当简洁但仍然易于理解的编码风格。
  • 紧贴标准。大多数C编译器都提供不属于C89或C99标准的特性和库函数。为了程序的可移植性,若非确有必要,最好避免使用这些特性和库函数。
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