1-01初识C语言

一、概述

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**“Unix之父”**。

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**“C语言之父”**。

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年共同获得了图灵奖**。

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

二、C语言历史

2.1 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。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。

到了1973年，C语言已经基本完善和稳定，Ritchie和Thompson把Unix系统的大部分组件都使用C语言进行了重写。这既证明了C语言在系统编程上的强大功能，也奠定了Unix系统的地位。

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。

2.2 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**“K&R C”**，可以认为这是最早的统一C语言版本。

图 3. Kernighan(左)和Ritchie(右)

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C89或ANSI C。

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C90。**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。**C89/C90是第一个官方统一标准认证的C语言版本。

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，C99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，C11发布。增加了并发支持、类型通用宏、静态断言等新特性。

2018年，C18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。

在实际的应用中，C99虽然年代久远，但稳定可靠且足够好用，是比较常用的C语言版本。

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。

在我们的课程设计中，第一周的C语言部分我们只学习最基础的C语言语法，并不会涉及到C11的新特性。所以第一周学习C语言的课程将采用C99作为学习的C语言版本。

三、C语言的优点/优势

当今互联网世界是建立在C语言的基础上的

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. …

C语言是一门接近"低级语言"的"中级语言"

所谓"中级"编程语言，是要比较的，参看下图：

图 4. C语言是"中级语言"

这意味着C语言有以下优点：

1. **C语言是一门接近硬件层面的编程语言，提供了接近硬件的操作能力。**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. C语言拥有在所有编程语言中几乎独一档的高运行效率。
   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. **C语言还提供了各种特性使得程序员可以控制优化C程序的几乎每一个细节。**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. **C语言的语法非常简洁，没有太多复杂的特性。**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语言是一门从诞生到现在，一直都非常流行的编程语言

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

四、C语言的缺点

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. **C语言是一门非常容易出错，却非常不容易发现错误的编程语言。**这主要是因为：
   1. C语言的语法相对非常宽松和灵活，给予了程序员很大的自由度，但出错的概率也大大增加了。
   2. 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。
   3. 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。
   4. …
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。
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。