C语言概述

目录

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1.  C语言发展史

2.  C语言特点

3.  C语言标准

4.  C语言编程机制

4.1  预处理(Preprocessing)

4.2  编译(Compilation)

4.3  汇编(Assemble)

4.4  链接(Linking)

结语

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1.  C语言发展史

        C语言是由美国贝尔实验室的Dennis Ritchie于1972年设计开发的一种编程语言，它的设计目标是用于Unix操作系统的程序开发。

        在20世纪70年代末和80年代初，C语言逐渐成为主流的编程语言之一。它的广泛应用在于其简单易学、功能强大、可移植性强的特点，使得许多计算机公司和软件开发者将其作为首选语言。

        1990年代中期，C++语言的出现逐渐压过了C语言的优势。尽管如此，C语言仍然是许多高性能应用程序的编程语言，包括操作系统、嵌入式系统和设备驱动程序等。

        近年来，由于其广泛应用和高度成熟的编译器、文档和支持工具，C语言仍然是许多计算机科学教育课程的核心部分。此外，许多新的C语言标准和框架也在不断推出，以满足不断变化的编程需求。

2.  C语言特点

1. 结构化编程：C语言采用结构化编程的思想，代码结构清晰简洁，易于理解和维护。

2. 代码可移植性：C语言的编译器可以在多种平台上运行，代码可以在不同的操作系统和硬件上运行，具有很好的可移植性。

3. 高效性：C语言的编译器生成的代码执行效率高，能够直接操作计算机硬件，利用底层资源，具有高效性。

4. 指针：C语言具有指针的概念，可以直接访问内存地址，实现高效的数据操作。

5. 库函数丰富：C语言提供了丰富的标准库函数，能够方便地实现各种功能，如字符串操作、文件操作等。

6. 可扩展性：C语言可以使用其他语言编写的库文件，扩展其功能。

7. 低级别控制：C语言具有低级别的控制能力，用户可以直接控制内存、硬件等底层资源，实现灵活的编程。

8. 面向过程：C语言是一种面向过程的编程语言，适合于开发底层的系统软件和高效的算法。

        通过上述的介绍，已经了解了C语言的若干特点。C语言虽然是一种优秀的计算机程序设计语言，但也存在以下的一些缺点，了解这些缺点，才能够在实际使用中扬长避短。
    1. C程序的错误更隐蔽。C语言的灵活性使得用它编写程序时更容易出错，而且C语言的编译器不检查这样的错误。与汇编语言类似，需要程序运行是才能发现这些逻辑错误。C语言还会有一些隐患，需要程序员重视，比如将比较的"=="写成赋值"="，语法上没有错误，这样的逻辑错误不易发现，要找出来往往十分费时。
    2. C程序有时会难以理解。C语言语法成分相对简单，是一种小型语言。但是，其数据类型多，运算符丰富且结合性多样，使得对其理解有一定的难度。有关运算符和结合性，人们最常说的一句话是“先乘除，后加减，同级运算从左到右”，但是C语言远比这要复杂。发明C语言时，为了减少字符输入，C语言比较简明，同时也使得C语言可以写出常人几乎无法理解的程序。
    3. C程序有时会难以修改。考虑到程序规模的大型化或者说巨型化，现代编程语言通常会提供“类”和“包”之类的语言特性，这样的特性可以将程序分解成更加易于管理的模块。然而C语言缺少这样的特性，维护大型程序显得比较困难。

3.  C语言标准

        C语言标准通常指ISO/IEC 9899：C99或ISO/IEC 9899：C11。这些标准定义了C程序语言的语法、语义、库等的规范。C99是C语言的第二个国际标准，于1999年发布，引入了许多新功能，如可变长度数组、复合文字和行注释等，C11于2011年发布，进一步扩展了C99，并添加了一些新功能，如泛型选择和多线程库等。

4.  C语言编程机制

        编程机制是指在计算机程序中使用的各种规则和技术，包括程序设计、算法、数据结构、编程语言、编码标准、调试和测试等方面。其中，程序设计是编程机制的核心，它涉及到如何组织和设计程序的核心逻辑和数据结构，以及如何在其中使用编程语言和库。算法则是指在程序中描述问题的解决方案的过程或序列，数据结构则是指程序中用于存储和操作数据的方式。编程语言则提供了一种语法和语义规则来实现特定的编程机制，编码标准则规定了程序如何编写、格式化和文档化。调试和测试等技术则用于发现和修复程序中的错误和缺陷。综合使用这些机制可以编写高效、可靠、可维护和易于使用的程序。

C语言是一种基于过程的编程语言，具有以下几个基本机制：

1. 结构化编程：C语言通过控制结构（如if-else、while、for等）来组织代码，实现结构化编程，使代码清晰、易于理解和修改。

2. 函数：C语言中的函数是一个独立的代码块，接受一些输入参数并返回一个输出值。通过函数，可以将代码分解成小的模块，提高了代码的可读性和可维护性。

3. 指针：指针是C语言中的一种重要数据类型，可以指向内存中的地址，允许对内存中的数据进行直接访问和操作。指针在C语言中被广泛使用，可以用来实现高效的数据结构和算法。

4. 数据类型：C语言中定义了基本的数据类型，如整数、字符、浮点数等，也可以通过结构体和联合体来自定义复杂的数据类型，以满足不同的需求。

5. 预处理器：C语言中的预处理器可以在编译代码之前对代码进行一些预处理，如包含头文件、定义常量、条件编译等，可以使代码更加灵活和可配置。

以上这些机制共同构成了C语言的编程范式，使其成为一种高效、灵活、可扩展的编程语言。

4.1  预处理(Preprocessing)

        预处理用于将所有的#include头文件以及宏定义替换成其真正的内容，预处理之后得到的仍然是文本文件，但文件体积会大很多。gcc的预处理是预处理器cpp来完成的，你可以通过如下命令对test.c进行预处理：

gcc -E -I./inc test.c -o test.i

        或者直接调用cpp命令

$ cpp test.c -I./inc -o test.i

        上述命令中-E是让编译器在预处理之后就退出，不进行后续编译过程；-I指定头文件目录，这里指定的是我们自定义的头文件目录；-o指定输出文件名。

经过预处理之后代码体积会大很多：

X	文件名	文件大小	代码行数
预处理前	test.c	146B	9
预处理后	test.i	17691B	857

预处理之后的程序还是文本，可以用文本编辑器打开。

4.2  编译(Compilation)

        这里的编译不是指程序从源文件到二进制程序的全部过程，而是指将经过预处理之后的程序转换成特定汇编代码(assembly code)的过程。编译的指定如下：

$ gcc -S -I./inc test.c -o test.s

        上述命令中-S让编译器在编译之后停止，不进行后续过程。编译过程完成后，将生成程序的汇编代码test.s，这也是文本文件，内容如下：

// test.c汇编之后的结果test.s.file   "test.c".section    .rodata
.LC0:.string "a=%d, b=%d, a+b=%d\n".text.globl  main.type   main, @function
main:
.LFB0:.cfi_startprocpushl   %ebp.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8movl    %esp, %ebp.cfi_def_cfa_register 5andl    $-16, %espsubl    $32, %espmovl    $2, 20(%esp)movl    $3, 24(%esp)movl    24(%esp), %eaxmovl    %eax, 4(%esp)movl    20(%esp), %eaxmovl    %eax, (%esp)call    add movl    %eax, 28(%esp)movl    28(%esp), %eaxmovl    %eax, 12(%esp)movl    24(%esp), %eaxmovl    %eax, 8(%esp)movl    20(%esp), %eaxmovl    %eax, 4(%esp)movl    $.LC0, (%esp)call    printfleave.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4ret .cfi_endproc
.LFE0:.size   main, .-main.ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2".section    .note.GNU-stack,"",@progbits

请不要问我上述代码是什么意思!-_-

4.3  汇编(Assemble)

        汇编过程将上一步的汇编代码转换成机器码(machine code)，这一步产生的文件叫做目标文件，是二进制格式。gcc汇编过程通过as命令完成：

$ as test.s -o test.o

等价于：

gcc -c test.s -o test.o

这一步会为每一个源文件产生一个目标文件。因此mymath.c也需要产生一个mymath.o文件

4.4  链接(Linking)

链接过程将多个目标文以及所需的库文件(.so等)链接成最终的可执行文件(executable file)。

命令大致如下：

$ ld -o test.out test.o inc/mymath.o ...libraries...

结语

        经过以上分析，我们发现编译过程并不像想象的那么简单，而是要经过预处理、编译、汇编、链接。尽管我们平时使用gcc命令的时候没有关心中间结果，但每次程序的编译都少不了这几个步骤。也不用为上述繁琐过程而烦恼，因为你仍然可以：