C语言学习系列：初识C语言

前言，C语言是什么

语言，比如中文、英语、法语、德语等，是人与人交流的工具。

C语言也是语言，不过是一种特殊的语言，是人与计算机交流的工具。

为什么叫C语言呢？

这就要从C语言的历史说起了。

一，C语言的前世今生

计算机的世界是二进制的世界，这是学习计算机必须具备的常识，现实世界中的数据之所以能被计算机处理，是因为：

• 输入到计算机的数据会被转换为二进制
• 数据在计算机中以二进制的形式存储
• 数据在计算机中以二进制的形式参与计算

计算机发明伊始，科学家们直接使用二进制编写的程序与计算机交流，二进制语言称之为机器语言。

机器语言太难理解、记忆、维护，于是科学家们发明了助记符，编写程序时使用特定的人类语言，交给计算机执行前将程序转换为机器语言，这个过程称为编译，采用助记符的语言称之为汇编语言。

汇编语言是一种低级语言，所谓低级是指和硬件关联特别是与CPU指令集关联密切，不同的CPU架构有不同的指令集，可以理解为不同的CPU架构有不同的汇编语言，这就导致一个问题，汇编语言编写的程序不具备通用性，ARM架构的程序不能直接在AMD架构运行。

开发一种屏蔽底层硬件差异的语言提上了科学家的日程，这种语言称之为高级语言，高级是指语言远离了硬件，更接近人类语言。

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。这就是C语言名称的来历。

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。

二，C语言的特点

C语言的特点主要包括以下几点：

1，简洁性和灵活性：C语言设计得非常简洁，仅有大约32个关键字和一套有限的控制结构，这使得它易于学习和使用。同时，它提供了很高的灵活性，允许程序员直接控制硬件资源。

2，高级与低级特性的结合：C语言结合了高级语言的结构化特性（如函数、数组、指针）与低级语言的特性（如直接内存访问），使得它既能进行高层的抽象编程，也能进行底层的系统编程。

3，结构化编程：C语言支持结构化编程范式，通过函数来组织代码，使程序易于理解、修改和维护。它提供了结构化的控制语句，如if-else、while、for循环等，有助于编写清晰的逻辑流程。

4，丰富的数据类型：C语言支持多种数据类型，包括基本类型（如整型、浮点型、字符型）、构造类型（数组、结构体、共用体）、指针类型等，以及后来标准中添加的布尔类型、枚举类型等，能够满足复杂数据结构的需求。

5，运算符和表达式的多样性：C语言有34种运算符，涵盖了算术、关系、逻辑、位操作等多种运算，支持丰富的表达式组合，增强了代码的表达力和效率。

6，直接访问硬件：通过指针，C语言允许直接访问内存地址，这对于系统编程和硬件操控非常关键，但同时也增加了程序潜在的风险，如内存泄漏和指针错误。

7，可移植性：虽然C语言与特定的机器架构紧密相关，但通过遵循标准（如ANSI C或ISO C），编写的代码能够在不同平台上编译和运行，具有一定的可移植性。

8，编译型语言：C语言是编译型语言，源代码需要通过编译器转换成机器代码，然后才能在目标机器上运行，这通常意味着执行效率较高。

9，广泛应用：由于其高效性和灵活性，C语言被广泛应用于操作系统、嵌入式系统、设备驱动程序、游戏引擎、数据库等领域。

10，高效性：C语言生成的目标代码通常较小且执行效率高，适合对性能要求严格的应用场景。

三，C语言的里程碑

C语言自20世纪70年代初诞生以来，经历了多个重要发展里程碑，这些里程碑不仅见证了C语言本身的演进，也深刻影响了整个软件开发领域。以下是C语言发展的一些关键节点：

1，起源（1969-1972）：C语言的前身可以追溯到贝尔实验室的BCPL（Basic Combined Programming Language）语言，由Martin Richards开发。BCPL启发了B语言的创造，由Ken Thompson在1970年设计，用于编写UNIX操作系统。Dennis Ritchie随后在此基础上开发了C语言，最初是为了重新实现UNIX操作系统。

2， 第一个C编译器（1972）：Dennis Ritchie编写了第一个C编译器，该编译器是用汇编语言编写的。这个早期版本的C语言主要用于内部项目，如UNIX系统的重写。

3，K&R C（1978）：Brian Kernighan和Dennis Ritchie合著的《The C Programming Language》（通常称为K&R C）出版，这本书成为C语言的非正式标准，极大地推动了C语言的普及。该书首次全面介绍了C语言的语法和使用方法。

4，ANSI C（1983-1989）：随着C语言的广泛应用，美国国家标准协会（ANSI）成立了一个委员会来制定C语言的标准。1983年开始工作，1989年正式发布了ANSI X3.159-1989，即ANSI C标准，也称为C89。这个标准定义了C语言的语法、库函数和其他特性，提高了不同编译器之间的兼容性。

5，ISO C（1990）：国际标准化组织（ISO）采纳了ANSI C标准，并发布为ISO/IEC 9899:1990，通常称为C90。C90成为了全球认可的C语言国际标准。

6，C99（1999）：ISO发布了C语言的第二个主要修订版，ISO/IEC 9899:1999，简称C99。这一版本引入了许多新特性，包括更灵活的数组初始化、变量声明的位置、新的数据类型（如_Bool）、以及对复数的支持等。

7，C11（2011）：ISO发布了C语言的第三个重大修订，ISO/IEC 9899:2011，即C11。C11增加了多线程支持、静态断言、匿名结构体和联合体、alignas关键字等新特性，并且对Unicode支持进行了改进。

8，C17/C18（2018）：虽然没有引入太多新功能，ISO发布了C语言的一个小更新ISO/IEC 9899:2018，有时称为C17或C18，主要目的是修正C11中的错误并澄清一些规定，提高了标准的清晰度和一致性。

四，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。Linux 和 Mac 系统可以直接安装 GCC，Windows 系统可以安装 MinGW。

不过，初学者可以使用在线编译器，直接在网页上模拟运行C代码、查看结果，推荐使用下面两个在线工具：

• CodingGround：https://tutorialspoint.com/compile_c_online.php
• OnlineGDB: https://onlinegdb.com/online_c_compiler

五，我的第一个C程序

C 语言的源代码文件，通常以后缀名.c结尾。

1，编写源码

下面是一个简单的 C 程序hello.c，它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;
}

上面这个程序作用仅仅是在屏幕上面显示“Hello World”。

2，编译

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

在这里插入图片描述

上面命令使用gcc编译器，将源文件hello.c编译成二进制代码。

运行这个命令以后，默认会在当前目录下生成一个编译结果文件a.out（assembler output 的缩写，Windows 平台为a.exe）。

此外，编译时可以通过GCC 的-o参数（output 的缩写）指定编译生成的文件名：

gcc -o hello hello.c

上面命令的-o hello指定编译生存的文件名为hello（取代默认的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。

3，运行

运行第2步编译生成的文件，就会在屏幕上输出Hello World：

./a.out

如果编译时通过-o指定了编译生成的结果的文件名为hello，则执行如下命令：

./hello

如果是windows，执行如下命令：

hello.exe

运行程序时，可以通过GCC 的-std=参数（standard 的缩写）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。

注意，-std后面需要用=连接参数，而不是像上面的-o一样用空格，并且=前后也不能有多余的空格。

六，C语言的核心知识点

很多人说C语言很难，但是大家要知道的是C语言难在工程实践，C语言学起来并不难，其核心知识点如下：

• ①数据类型
• ②运算符和表达式
• ③输入和输出
• ④流程控制
• ⑤函数
• ⑥数组
• ⑦指针
• ⑧结构体
• ⑨文件操作
• ⑩内存管理

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