C语言概述

C语言简介

一提到语⾔这个词语，自然会想到的是像英语、汉语等这样的自然语⾔，因为它是人和人交换信息不可缺少的工具。而今天计算机遍布了我们生活的每一个角落，除了人和人的相互交流之外，我们必须和计算机交流。

用什么的什么样的方式和计算机做最直接的交流呢？人们自然想到的是最古老也最方便的方式——语⾔，而C语⾔就是人和计算机交流的一种语⾔。语⾔是用来交流沟通的：有一方说、有另一方听，必须有两方参与，这是语⾔最重要的功能：

• 说的一方传递信息，听的一方接收信息；
• 说的一方下达指令，听的一方遵循命令做事情。

语⾔是人和人交流，C语⾔是人和机器交流。只是 人可以不听另外一个人；但是 计算机是无条件服从。语⾔有独特的语法规则和定义，双方必须遵循这些规则和定义才能实现真正的交流。

C语言的起源

以下内容，仅供了解，可以当一个故事看一看。了解C语言的历史背景，也有助于大家理解学习C语言。

C语言是贝尔实验室的Ken Thompson（肯·汤普逊）、Dennis Ritchie（丹尼斯·里奇）等人开发的UNIX 操作系统的“副产品”，诞生于1970年代初。

Thompson和Ritchie共同创作完成了Unix操作系统，他们都被称为。

如果你非要较真谁才是“C语言之父”，那么普遍而言，Dennis Ritchie被认为是，因为他是C语言的主要设计者。

为了表彰他们在“Unix操作系统的设计和实现，以及与之相关的C语言的开发”上的贡献，Dennis Ritchie 和 Ken Thompson 在1983年共同获得了。

除此之外，Thompson还是“UFT-8编码”和“Go语言”的主要发明设计者。

贝尔实验室是什么机构？

贝尔实验室（Bell Labs），全称贝尔电话实验室，创建于1925年，隶属于AT&T公司（美国电话电报公司，曾经大致相当于中国电信加移动加联通，通信领域的超级巨头）。贝尔实验室在20世纪为计算机科学、电信和物理学领域做出了巨大的贡献。

贝尔实验室是美国历史上最有知名度，最具影响力的研究和开发机构之一。

贝尔实验室的贡献包括但不限于：晶体管、Unix操作系统、C语言、光纤、激光等。

关于贝尔实验室，强烈推荐吴军博士的《浪潮之巅》这本书，该书讲解了世界上巨头科技、互联网公司（诸如IBM、Apple、微软等）的兴衰历史。即便将它当成故事书一样去看，也是十分精彩的，值得一看。

吴军博士所著浪潮之巅，故事精彩，语言诙谐，可称为计算机行业的入门必读书籍。

Unix操作系统有什么深远的影响？

可能有些同学（尤其是没怎么接触过计算机的同学），对Unix操作系统没什么印象，但实际上Unix操作系统是计算机历史上最重要，和影响最深远的操作系统之一。

目前市场中最流行的操作系统，可以分为两大类：

1. Windows视窗操作系统，是最广泛使用的桌面级操作系统。尤其是PC和办公环境下，Windows无疑是统治者。
2. 类Unix操作系统（Unix-like），指那些在设计、功能等方面上与原始Unix有高度相似性或受其启发的操作系统。
   • 最常用的类Unix操作系统是MacOS以及Linux。
   • 其中MacOS是桌面端足可以和Windows抗衡的操作系统，而Linux则是服务器市场的霸主。

原始的Unix操作系统由于其昂贵的成本，在日常的消费者市场中并没有获得广泛应用。但其设计理念和架构深深影响了后续的操作系统发展，尤其是在MacOS和Linux等类Unix系统中。

然而在一些需要极高可靠性和稳定性的领域，例如银行、金融服务和电信等，Unix操作系统仍然是首选，当然前提是企业具备足够的经济实力。在这些领域，Unix系统的稳定性和安全性成为了决定性的因素，即便成本较高，许多公司也愿意为此支付额外费用。

C语言诞生

上世纪60年代末，Thompson独自编写出了最初版本的Unix操作系统。Unix系统最初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，也不易于进行扩展和移植。

Thompson意识到需要用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语言——。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，简化开发而来的。

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（一款在70年代非常成功的小型计算机）。当B语言经过改进并能够在PDP-11计算机上运行后，Thompson用B语言重新编写了部分UNIX代码。

到了1971年，B语言由于效率和功能上的局限性，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。

这样C语言就诞生了，C语言的前身是B语言，而C语言的发明者是Dennis Ritchie。

使用C语言重写Unix是一个关键决策，它为Unix的成功和普及打下了坚实的基础，使得Unix成为了一个扩展性强、可移植性强、易于开发维护的操作系统。

C语言的发展

1978年，Dennis Ritchie和Brian Kernighan（布莱恩·克尼汉）共同出版了书籍《C编程语言（The C Programming Language）》。这本书中描述的C语言版本经常被称为，

到了80年代，C语言走出贝尔实验室，被广泛使用。不同的机构间，往往会在原有基础上自己扩展一些C语法，这就是“C方言”。

为了确保C语言的一致性和可靠性，美国国家标准协会（ANSI）于1983年设立了一个委员会来标准化C语言。最终，该组织在1989年推出了ANSI C标准，也称为。

不久之后，到了1990年，国际标准化组织（ISO）采纳了这一标准，并在1990年发布了这个C语言版本，被称为。事实上，C89和C90就是两个相同的C语言标准，只是由不同的组织在不同的时间发布罢了。

在这之后，C语言的官方标准版本的发布，都由ISO机构下的C语言相关工作组WG14完成。

1999年，发布。引入了如内联函数、新的数据类型、变长数组等新特性。

2011年，发布。增加了并发支持、类型通用宏、静态断言等新特性。

2018年，发布。主要是对C11进行小维护和小修正，没有引入新特性。可以认为C18就是C11的小更新版本。

除此之外，C11增加了对现代计算机操作系统的支持，特别是关于线程、并发部分的支持，所以在需要这些特性的C语言程序中，会优先选择C11。

总得来说，到目前为止，C99和C11在商业环境中是最常用的版本。

C语言的标准

C 语言自 1972 年首次发布以来，经历了多次修订和更新，导致了几个主要版本：

K&R C (1978)

• C 语言的第一个标准版本，由布莱恩·科尼根和丹尼斯·里奇编写。
• 引入了基本语法、数据类型、控制结构和输入/输出函数。

ANSI C (1989)

• 由美国国家标准协会 (ANSI) 开发的第一个 C 语言标准。
• 添加了新的关键字（如 const、volatile 和 void）和库函数（如 strtok() 和 qsort()）。

C99 (1999)

• 由国际标准化组织 (ISO) 开发的重大修订。
• 引入了复杂数据类型（如结构和联合）、可变参数和内联函数。

C11 (2011)

• 添加了对线程、匿名结构和联合的支持。
• 引入了快速数学函数和原子类型。

C18 (2018)

• 最新版本的 C 语言标准。
• 增加了对通用内存模型和浮点语义的支持。

比较不同版本的 C 语言：

特性	K&R C	ANSI C	C99	C11	C18
复杂数据类型	否	否
可变参数	否	否
内联函数	否	否
线程支持	否	否	否
快速数学函数	否	否	否
原子类型	否	否	否	否

C 语言版本选择：

选择要使用的 C 语言版本取决于应用程序的需求和目标平台。

• 如果需要广泛的兼容性，则 K&R C 或 ANSI C 是不错的选择。
• 如果需要复杂的数据类型、内联函数或可变参数，则 C99 或更高版本是必需的。
• 对于需要线程或原子类型的并行应用程序，则 C11 或 C18 是最佳选择。

值得注意的是，并非所有编译器都支持最新的 C 语言标准。在为应用程序选择版本时，请务必考虑编译器的支持。

语言特点

例如：

1. 操作系统。C语言设计的初衷就是用来编写操作系统，目前所有的主流操作系统内核，所采用的编程语言都是C语言。
2. 网络协议栈。一般和内核采用相同的语言实现，也就是C语言。
3. Web服务器/HTTP服务器。Apache、Nginx主要由C语言编写。Tomcat（Java编写，仅运行Java应用）
4. 关系型数据库。PostgreSQL、SQLite主要由C语言编写。MySQL（C/C++）
5. 非关系型数据库。Redis主要由C语言编写。MongoDB（C++）、Elasticsearch（Java）
6. ...

所谓"中级"编程语言，是要比较的，参看下图：

这意味着C语言有以下优点：

1. C语言通过提供直接内存访问、指针操作和系统调用等功能，允许程序员以接近硬件的方式编写代码。这种能力使得C语言特别适用于嵌入式系统开发以及系统级编程。
2. 1. C语言提供了接近硬件的操作能力，这意味着C程序可以更好的利用硬件资源。
   2. C语言编译器将源代码直接编译成机器代码（或非常接近的汇编语言），而非解释执行或编译为中间代码。
   3. 比如C语言的手动内存分配控制，这意味着可以精确地管理资源使用，从而提高效率。
   4. 在平均一般情况下，如果一个C程序的执行速度是100%，那么：
      • C++可能由于复杂性的影响，性能会轻微下降，一般是95%左右。
      • Java由于JVM等特性的影响，运行效率一般低于C/C++，大概在50%-80%范围内。
      • Python是一种脚本语言，需要解释执行，效率很差。可能在5%-30%之间。
3. 作为一门接近硬件的编程语言，C语言的抽象层次很低，没有很多高级的抽象特性。这使得C语言简单易学，同时对于想要深入理解计算机原理的人来说，C语言的低抽象性也可以使得学习者可以更好的忽略语言特性，关注具体原理。
4. C语言作为一门"中级语言"，市面上流行的编程语言基本都可以找到它的影子（C-like语言），所以学习C语言对于学习其他编程语言也有很大的帮助。

C语言的生命力旺盛，从诞生到如今始终都是最流行的开发语言之一。

可以参考：TIOBE世界编程语言排行榜

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很多时候，一个优点往往同步带来一些缺点，C语言实际上是一门缺点很明显的编程语言。正如丹尼斯·里奇（Dennis M. Ritchie），C语言的主要发明者，曾经评价C语言说：

C is quirky, flawed, and an enormous success.

这句话直译为：“C语言是古怪的、有缺陷的，但同时取得了一个巨大的成功。”

C语言有以下突出的缺点：

1. 这主要是因为：
   • C语言的语法相对和灵活，给予了程序员很大的自由度，但出错的概率也大大增加了。
   • C语言给程序员很大的自主性和控制权限，但即便是熟练的C程序员也无法保证能够完美的控制程序。比如内存管理，手动的内存管理不仅增加了编程的复杂性，而且非常容易出错，如内存泄漏和使用未初始化的内存导致未定义行为。
   • C语言追求效率，所以没有专门的异常机制来指示程序出现的问题。C程序甚至不会去检查数组下标越界的问题。
   • ...
2. C语言缺少一些必要的高级特性，使得C程序的可维护性很差。一个复杂的C程序，如果在设计之初没有考虑到维护问题，那么将很难对它做出修改或扩展。（这也是C++出现的目的）
3. 相比较现代的高级语言，C语言经常可以写出可读性十分差的代码。
   • 这一方面是由于C语言作为一门小型语言，它缺乏一些现代高级语言中的特性，并且其标准库相对较小。因此，程序员往往需要自行编写复杂的代码实现，这些代码对于其他人可能难以理解。
   • 另一方面，C语言诞生于编程发展的初期，那时的编程哲学倾向于代码的极致简洁性。这种风格有时会导致代码过于晦涩难懂，尤其是当程序员过分追求聪明的技巧时，可能会编写出只有自己能理解的代码。
   • 在现代编程中，尤其是团队协作环境下，高度重视代码的可读性和维护性。因此，在我们的课堂上，我们会强调编写清晰易读的C代码，而不是单纯追求代码的简洁。
4. C语言的核心语法特性在不同编译器和平台之间是保持一致的，这是因为不同平台的编译器实现都必须遵循C语言的标准（如ISO C标准）。这确保了无论在Windows还是Linux平台上，基本的语法、控制结构和数据类型等基础元素都是相同的。
   • 然而，由于C语言提供了接近操作系统层面的编程能力，当涉及到与操作系统直接交互的特定功能，如系统调用或使用特定平台的库函数时，就会出现不同平台间的实现差异。
   • 这种差异性一方面影响了C语言的跨平台性，也增加了C语言的学习成本。例如，尽管Windows和Linux平台上的C语言核心编程逻辑相似，但在实现平台特定功能时所需的API调用和编程细节可能大不相同。
   • 王道的C方向更侧重于服务器端、嵌入式领域等方向，所以在涉及平台交互的场景中，我们将会学习Linux C，这是我们第二阶段的课程内容。
   • 需要注意的是，尽管存在平台间的差异，但这并不意味着Windows和Linux下的C语言是两种截然不同的语言。适应不同的平台环境和编程接口对程序员而言，不算什么特别困难的事情。

知识拓展

计算机结构组成

计算机系统组成

64位和32位系统区别

• 寄存器是CPU内部最基本的存储单元
• CPU对外是通过总线(地址、控制、数据)来和外部设备交互的，总线的宽度是8位，同时CPU的寄存器也是8位，那么这个CPU就叫8位CPU
• 如果总线是32位，寄存器也是32位的，那么这个CPU就是32位CPU
• 有一种CPU内部的寄存器是32位的，但总线是16位，准32位CPU
• 所有的64位CPU兼容32位的指令，32位要兼容16位的指令，所以在64位的CPU上是可以识别32位的指令
• 在64位的CPU构架上运行了64位的软件操作系统，那么这个系统是64位
• 在64位的CPU构架上，运行了32位的软件操作系统，那么这个系统就是32位
• 64位的软件不能运行在32位的CPU之上

寄存器名字

8位	16位	32位	64位
A	AX	EAX	RAX
B	BX	EBX	RBX
C	CX	ECX	RCX
D	DX	EDX	RDX

寄存器、缓存、内存三者关系

按与CPU远近来分，离得最近的是寄存器，然后缓存(CPU缓存)，最后内存。

CPU计算时，先预先把要用的数据从硬盘读到内存，然后再把即将要用的数据读到寄存器。于是 CPU <--> 寄存器 <--> 内存，这就是它们之间的信息交换。

那为什么有缓存呢？因为如果经常操作内存中的同一址地的数据，就会影响速度。于是就在寄存器与内存之间设置一个缓存。

因为从缓存提取的速度远高于内存。当然缓存的价格肯定远远高于内存，不然的话，机器里就没有内存的存在。

由此可以看出，从远近来看：CPU <--> 寄存器 <--> 缓存 <--> 内存。